镧锰钙钛矿型催化剂制备及其甲烷燃烧催化性能

摘要

随着现代工业技术的发展，人们对能源的需求量与日俱增，随之而来的环境问题也受到越来越多的关注，甲烷催化燃烧技术是抑制NOx排放的重要手段。甲烷催化燃烧技术可以使甲烷在低温下与氧气发生化学反应，并放出热量。本文以LaMnO3+δ作为研究对象，探讨了使用溶胶凝胶法制备催化剂时不同的络合剂、焙烧时间、升温速率、金属离子浓度以及在催化剂B位掺杂Fe元素对催化剂结构以及催化甲烷燃烧活性的影响，并采用硬模板法制备LaMnO3+δ催化剂，使用XRD、BET、H2-TPR、O2-TPD、XPS等方法对催化剂进行表征。
　　采用柠檬酸为络合剂时，所制备的催化剂晶相单一，活化氧以及高价金属离子含量多，催化活性较好。适当的焙烧时间和升温速率会提高催化剂中高价态金属离子的含量以及催化剂的热稳定性，焙烧时间过长会使催化剂烧结，过快的升温速率使吸附氧的活化能力降低，并产生较多的杂相，从而影响催化剂的催化活性。溶液中金属离子浓度较高，虽然会使催化剂中非化学计量比氧的含量增加，但是会减少表面吸附氧以及高价态金属离子含量，并会降低催化剂的热稳定性，从而不利于催化燃烧甲烷。当在B位掺杂Fe元素后，表面吸附氧含量减少，催化剂的热稳定性降低，活性降低。
　　使用硬模板法制备催化剂时，在溶液中添加乙醇溶液时，会适当提高催化剂的表面吸附氧、Mn4+的含量以及催化剂的热稳定性。与溶胶凝胶法制备的催化剂相比，硬模板法制备的催化剂具有较高的比表面积，可以吸附更多的用于氧化甲烷的氧，并有较多的Mn4+离子以及O22-/O-，所以表现出更好的催化活性，T10以及T50分别为318℃、480℃，远低于溶胶凝胶法的380℃和532℃。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 甲烷催化燃烧的研究背景

1．2 甲烷催化燃烧催化剂以及介孔钙钛矿型催化剂的研究进展

1．2．1 甲烷催化燃烧催化剂的研究进展

1．2．2 介孔钙钛矿型催化剂的研究进展

1．3 主要研究内容以及创新点

第二章 实验部分

2．1 实验试剂及所用气体

2．2 实验仪器

2．3 催化剂的制备

2．3．1 硬模板剂的制备

2．3．2 溶胶凝胶法制备LaMnO3型催化剂

2．3．3 硬模板法制备LaMnO3型催化剂

2．4 催化剂的表征

2．4．1 X射线衍射(XRD)

2．4．2 热重分析(TG)

2．4．3 低温氮气物理吸附(BET)

2．4．4 氢气程序升温还原(H2-TPR)

2．4．5 氧气程序升温脱附(O2-TPD)

2．4．6 X射线荧光光谱(XRF)

2．4．7 X射线光电子能谱(XPS)

2．4．8 催化剂活性评价

第三章 溶胶凝胶制备过程参数对LaMnO3型钙钛矿催化剂结构性能及催化活性的影响

3．1 不同络合剂对LaMnO3型钙钛矿催化剂结构性能及催化活性的影响

3．1．1 不同络合剂制备催化剂的X射线衍射表征

3．1．2 不同络合剂制备催化剂的H2-TPR分析

3．1．3 不同络合剂制备催化剂的O2-TPD分析

3．1．4 不同络合剂制备催化剂的催化活性

3．2 不同焙烧时间对LaMnO3型钙钛矿催化剂结构性能及催化活性的影响

3．2．1 干凝胶的TG分析

3．2．2 不同焙烧时间条件下制备催化剂的X射线衍射表征

3．2．3 不同焙烧时间条件下制各催化剂的H2-TPR分析

3．2．4 不同焙烧时间条件下制备催化剂的O2-TPD分析

3．2．5 不同焙烧时间条件下制备催化剂的催化活性

3．3 不同升温速率对LaMnO3型钙钛矿催化剂结构性能及催化活性的影响

3．3．1 不同升温速率条件下制备催化剂的X射线衍射表征

3．3．2 不同升温速率条件下制备催化剂的H2-TPR分析

3．3．3 不同升温速率条件下制备催化剂的O2-TPD分析

3．3．4 不同升温速率条件下制备催化剂的催化活性

3．4 金属离子浓度对LaMnO3型钙钛矿催化剂结构性能及催化活性的影响

3．4．1 不同金属离子浓度条件下制备催化剂的XRD表征

3．4．2 不同金属离子浓度条件下制备催化剂的H2-TPR分析

3．4．3 不同金属离子浓度条件下制备催化剂的O2-TPD分析

3．4．4 不同金属离子浓度条件下制备催化剂的催化活性

3．5 金属Fe掺杂对LaMnO3型钙钛矿催化剂结构性能及催化活性的影响

3．5．1 不同Fe摩尔掺杂量催化剂的X射线衍射表征

3．5．2 不同Fe摩尔掺杂量催化剂的H2-TPR分析

3．5．3 不同Fe摩尔掺杂量催化剂的O2-TPD分析

3．5．4 不同Fe摩尔掺杂量催化剂的催化活性

3．6 小结

第四章 硬模板法制备介孔LaMnO3型钙钛矿催化剂及其甲烷燃烧催化活性

4．1 SBA-15分子筛的结构性能

4．1．1 SBA-15分子筛低温氮气物理吸附

4．1．2 SBA-15分子筛的X射线衍射表征

4．2 不同溶液对介孔催化剂结构性能及催化活性的影响

4．2．1 不同溶液条件下制备催化剂的X射线衍射表征

4．2．2 不同溶液条件下制备催化剂的H2-TPR分析

4．2．3 不同溶液条件下制备催化剂的O2-TPD分析

4．2．4 不同溶液条件下制备催化剂的催化活性

4．3 LaMnO3+δ型钙钛矿催化剂的介孔化以及对甲烷的催化燃烧活性

4．3．1 介孔钙钛矿干凝胶的TG分析

4．3．2 不同方法制备催化剂的X射线衍射表征

4．3．3 不同方法制备催化剂的低温氮气物理吸附

4．3．4 不同方法制备催化剂的H2-TPR分析

4．3．5 不同方法制备催化剂的O2-TPD分析

4．3．6 不同方法制各催化剂的XPS表征

4．3．7 不同方法制备催化剂对甲烷的催化燃烧活性

4．4 小结

结论

参考文献