掺杂六铝酸镧催化剂的反相微乳液法制备及性能研究

摘要

天然气传统燃烧温度高，导致环境污染，天然气催化燃烧是减少污染，提高燃烧效率与能量利用率的有效途径。限制天然气催化燃烧产业化的技术瓶颈是催化剂性能，反相微乳液是一种新兴的、很有发展潜力的制备纳米级粒子的合成技术，可改善纳米材料的性能。本文以TX-100/正己醇/环己烷/水（水溶液）组成的反相微乳液体系为媒介，采用反相微乳-共沉淀法制备了金属掺杂的La-、SrLa-六铝酸盐催化剂。并用XRD、XPS、BET和SEM等方法对催化剂进行表征，考察了反应条件、金属掺杂对六铝酸盐催化剂的晶相、比表面的影响，以甲烷催化燃烧为探针反应考察了催化剂的催化燃烧活性。主要结论如下：
　　 TX-100/正己醇/环己烷/水组成的反相微乳液体系中能够形成纳米级且分布均匀的六铝酸盐化合物，并将其成晶温度降低至1100℃；
　　 掺杂金属离子半径对六铝酸盐晶相有重要影响，Mn3+和Fe3+的半径与Al3+的半径比较接近，更易于进入六铝酸盐骨架并促进六铝酸盐的形成，Ni、Mg、Cu、Co和Y等随着离子半径的增大金属离子很难进入六铝酸盐骨架，不利于六铝酸盐的形成；
　　 Mn离子在六铝酸盐晶格中主要以+2和+3价两种氧化态存在，而Fe离子以+3价形式存在，Mn离子可以促进La离子进入晶体内部，表面富集的Mn氧化物可以提供催化燃烧所需要的晶格氧；
　　 随着Mn掺杂量的增加催化剂的比表面下降，Mn有利于提高催化剂的低温活性，Fe对提高催化剂的高温活性有重要作用，金属Mn和Fe之间存在着协同作用，其共同掺杂所得催化剂具有比Fe、Mn单取代更好的低、高温活性；
　　 单金属取代时，La-六铝酸盐催化剂系列中LaMnAl11O19的催化活性最好，La0.5Sr0.5-六铝酸盐催化剂系列中La0.5Sr0.5Mn1.5Al10.5O19的催化活性最好，复合掺杂时LaMnFeAl10O19和La0.5Sr0.5MnFeAl10O19活性最佳，具有较好的活性、高温稳定性与水热稳定性。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 天然气高温催化燃烧技术的背景与意义

1.2 甲烷催化燃烧催化剂体系

1.2.1 贵金属催化剂

1.2.2 钙钛矿型金属氧化物催化剂

1.2.3 六铝酸盐催化剂

1.3 六铝酸盐催化剂制备方法

1.4 反相微乳液

1.4.1 微乳液作为纳米反应器的原理

1.4.2 影响纳米粒子尺寸的因素

1.4.3 微乳液制备六铝酸盐催化剂研究进展

1.5 研究目的和内容

1.6 论文的创新之处

第二章 实验部分

2.1 实验试剂和仪器

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.2 催化剂的制备

2.2.1 反相微乳液法制备催化剂的过程图

2.2.2 催化剂的反相微乳液法制备

2.3 催化剂的活性评价

2.3.1 反应装置图

2.3.2 活性评价

2.4 催化剂的表征方法

2.4.1 X射线衍射(XRD)测试

2.4.2 比表面积(BET)测定

2.4.3 扫描电镜(SEM)测试

2.4.4 X射线光电子能谱(XPS)测试

第三章 制备条件的考察

3.1 反相微乳液的制备条件

3.1.1 反相微乳液体系的选择

3.1.2 表面活性剂/助表面活性剂/油相的最佳配比

3.2 反应物溶液浓度对催化剂的影响

3.2.1 反应物溶液浓度对反相微乳液体系的外观变化的影响

3.2.2 不同反应物溶液浓度下所得六铝酸盐的表征

3.2.3 不同反应物溶液浓度下所得六铝酸盐的活性研究

3.3.4 不同反应物溶液浓度所得催化剂的SEM图

3.3 反应温度对催化剂的影响

3.3.1 反应温度对催化剂晶相的影响

3.3.2 反应温度对催化剂活性的影响

3.3.3 反应温度对催化剂表面的影响

3.4 焙烧温度对催化剂的影响

3.4.1 不同焙烧温度焙烧所得催化剂的物相分析

3.4.2 不同焙烧温度对催化剂活性的影响

3.5 本章小结

第四章 金属掺杂对催化剂的影响

4.1 B位单取代对LaBAl11O19催化剂的影响

4.1.1 不同单金属取代的La-六铝酸盐催化剂的结构

4.1.2 不同单金属取代的六铝酸镧催化剂的比表面积

4.1.3 不同单金属取代的六铝酸镧催化剂的甲烷催化燃烧活性

4.1.4 Fe、Mn单金属取代的六铝酸镧催化剂的表面分析

4.1.5 LaMnxAl12-xO19催化剂

4.2 B位双取代LaMnMAl10O19系列催化剂

4.2.1 LaMnMAl10O19催化剂的结构

4.2.2 LaMnMAl10O19催化剂的比表面积

4.2.3 LaMnMAl10O19催化剂的催化活性

4.2.4 LaMnFeAl10O19催化剂

4.3 本章小结

第五章 La1-ySryMxAl12-xO19型催化剂

5.1 La0.5A0.5MnAl11O19催化剂

5.1.1 La0.5A0.5MnAl11O19催化剂的结构

5.1.2 La0.5A0.5MnAl11O19催化剂的比表面积

5.1.3 催化剂的活性评价

5.2 La1-ySry MnAl11O19催化剂

5.2.1 La1-ySry MnAl11O19催化剂的结构

5.2.2 La1-ySry MnAl11O19催化剂的比表面积

5.2.3 La1-ySry MnAl11O19催化剂的活性评价

5.3 La0．5Sr0.5BAl11O19催化剂

5.3.1 La0.5Sr0.5BAl11O19催化剂的结构

5.3.2 La0.5Sr0.5BAl11O19催化剂的比表面

5.3.3 La0.5Sr0.5BAl11O19催化剂的催化活性

5.3.4 La0.5Sr0.5MnAl11O19催化剂

5.3.5 La0．5Sr0.5MnxAl11-xO19催化剂

5.3.6 Sr0.5La0.5FeMnAl10O19催化剂的催化活性

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

北京化工大学 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书