气氛环境下Au/CeO_(2)催化剂烧结行为的原位电镜研究

气氛环境下原位研究催化剂的烧结行为,能够为理解催化剂在预处理以及反应条件下的烧结机理和高稳定催化剂的设计提供重要的实验依据。本文以Au/CeO_(2)模型纳米催化剂为研究对象,利用环境透射电子显微镜原位观察其在O_(2)与CO气氛下的高温动态烧结过程。实验发现,负载在CeO_(2)上的Au纳米颗粒在O_(2)与CO气氛环境中表现出不同的烧结行为,其在O_(2)气氛下具有较高的烧结速度,同时存在颗粒迁移与聚集长大(particle migration and coalescence,PMC)和奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening,OR)两种烧结过程;在CO气氛下烧结速度较慢,烧结过程以OR为主。对比不同气氛环境下烧结后催化剂的表面结构可知,CO增加了CeO_(2)表面台阶的数量以及表面氧空位浓度,增强了载体对Au颗粒的锚定作用,从而提升Au/CeO_(2)催化剂的稳定性。

CO_(2)加氢制甲醇Cu/CeO_(2)催化剂实验研究

考察了第二金属Ni改性对CO_(2)加氢制甲醇Cu/CeO_(2)催化剂活性的影响,并通过XRD、BET、XPS、H_(2)-TPR等手段对改性前后催化剂结构进行了表征。结果表明:金属负载量为20%时,Cu/CeO_(2)的比表面积最大;Cu与Ni质量比为3∶1时,催化剂碱度最大,氧空位含量最高,Cu-Ni协同作用最强;该催化剂在反应温度240℃、反应压力3 MPa、液时空速2400 mL/(g·h)、H_(2)与CO_(2)体积比为3∶1时催化CO_(2)加氢制甲醇效果较优,CO_(2)转化率为18.5%,甲醇时空产率为40.43 g/(kg·h)。

CuZn/CeO_(2)催化剂在CO_(2)加氢制甲醇中的应用研究

CO_(2)加氢制甲醇反应过程中产生的大量副产物水会加速催化剂中CuZn物种的聚集和烧结,导致催化剂严重失活。而CeO_(2)亲水性较弱,具有较高的水热稳定性,可以增强CuZn物种的分散。因此,通过水热合成法制备了一系列CeO_(2)载体晶面可调控的CuZn基催化剂,并在其中引入了适当浓度的氧空位。采用TEM、XRD和H_(2)-TPR等表征手段研究了合成的CeO_(2)载体及CuZn/CeO_(2)-y催化剂(y为rod、cube或otca)的形貌、结构和还原性能等物理化学性质,并考察了CuZn/CeO_(2)-y催化剂在CO_(2)加氢制甲醇反应中的催化性能。结果表明,暴露(110)晶面的纳米棒结构的CeO_(2)载体(CeO_(2)-rod)更有利于CuZn基物种的分散,并且CeO_(2)-rod与Cu物种形成了Cu—O—Ce界面,增强了催化剂同时吸附和活化CO_(2)和H_(2)的性能。因此,CuZn/CeO_(2)-rod表现出较高的CO_(2)转化率和甲醇选择性,在260℃、3MPa的条件下,甲醇时空收率为433.4g/(kg·h),甲醇选择性高达68.5%。同时,利用原位漫反射傅立叶变换红外光谱对CO_(2)加氢制甲醇的反应路径和重要中间物种的演变进行了详细研究,发现在CuZn/CeO_(2)催化剂的作用下,反应主要遵循甲酸盐路径,载体的晶面效应没有改变反应路径,但是提高了重要中间物种达到平衡的速率。

Ni/CeO_(2)基催化剂构筑及其CO_(2)甲烷化催化性能研究进展

CO_(2)加氢制甲烷(即“CO_(2)甲烷化”)是实现碳中和目标的重要途径。CeO_(2)由于具有丰富的表面氧空位和优异的储氧性能被认为是重要的催化剂载体之一,过渡金属Ni也因为具有优异的催化性能和低廉的价格被广泛应用于催化剂的研究,CeO_(2)和金属Ni结合形成的Ni/CeO_(2)基催化剂在CO_(2)甲烷化反应中展现了良好的应用前景。阐述了Ni/CeO_(2)基催化剂催化CO_(2)甲烷化的机理,介绍了Ni/CeO_(2)基催化剂制备方法,重点总结了活性中心特征、载体性质、助剂类型和金属-载体相互作用等影响Ni/CeO_(2)基催化CO_(2)甲烷化催化性能的因素,并总结了改性Ni/CeO_(2)基催化剂的催化性能。分析发现,通过对Ni/CeO_(2)基催化剂进行改性,可以调控Ni/CeO_(2)基催化剂的CO_(2)甲烷化催化性能与产物选择性,可为提升其CO_(2)甲烷化催化性能提供新的思路。

CeO_(2)/BiOBr/CNTs催化剂的制备及其降解抗生素性能研究

采用水热法合成了CeO_(2)、CeO_(2)/BiOBr、CeO_(2)/CNTs和CeO_(2)/BiOBr/CNTs复合纳米材料催化剂,利用XRD、SEM、BET和UV-Vis等方法对材料的结构、形貌和织构特性进行表征。在长弧氙灯照射下模拟太阳可见光降解抗生素,研究复合纳米材料的光催化氧化性能。结果表明,CeO_(2)与BiOBr、CNTs间的协同作用导致其对土霉素降解效果优于CeO_(2);CeO_(2)/BiOBr/CNTs对抗生素和可见光具有更高的吸收性能,比CeO_(2)/BiOBr和CeO_(2)/CNTs有更高的降解效率。在弱碱性环境下生成活性基团·OH,复合材料催化效果较好。复合材料禁带宽度都在可见光范围内,CeO_(2)的复合提高了材料的光利用效率,增强了材料的吸附性和电子-空穴对的迁移效率,进而提高其光催化活性。回收脱附实验表明,CeO_(2)/BiOBr/CNTs复合材料具有较好的稳定性。

Ni/CeO_(2)催化剂上CO_(2)甲烷化反应本征动力学研究

CO_(2)加氢合成CH4(CO_(2)甲烷化)是CO_(2)高效、清洁转化的重要途径之一。尽管CO_(2)甲烷化的催化体系研究已较深入,但特定条件下CO_(2)甲烷化本征动力学的研究较少。采用燃烧法制备了Ni/CeO_(2)催化剂(Ni质量分数为10%),并通过加入内稀释剂(α-Al_(2)O_(3))制备了不同m(α-Al_(2)O_(3)):m(Ni/CeO_(2))的样品。考察了在温度为300℃、压力为1 MPa和空速为3×10^(6)mL/(g·h)的条件下,m(α-Al_(2)O_(3)):m(Ni/CeO_(2))=25:1样品(样品A)的CO_(2)甲烷化本征动力学。结合本征动力学测试、漫反射红外光谱、H_(2)-程序升温还原和H_(2)-程序升温脱附等对CO_(2)甲烷化本征反应动力学方程进行了深入分析。结果表明,样品A作用下的CH_(4)生成速率最高可达41.4mmol/(g·h)(H_(2)分压为400kPa,CO_(2)分压为120 kPa)。当CO_(2)分压为30~120 kPa时,CH_(4)生成速率随H_(2)分压的增大线性增长,并且不受CO_(2)分压或CO分压变化的影响。在该CO_(2)分压范围内,富氢环境可以显著提高催化剂的CO_(2)甲烷化催化活性。

介孔CoFe/CeO_(2)催化剂CO_(2)与甘油干重整制合成气的实验研究

利用生物柴油副产物甘油和CO_(2)干重整制取高附加值合成气,关键是高性能催化剂的选择和研究。通过胶体溶液燃烧法制备了CoFe/CeO_(2)催化剂,在固定床反应器中,温度范围650~800℃条件下,研究了CO_(2)与甘油干重整过程中的催化活性和稳定性。结果表明,胶体溶液燃烧法制备的CoFe/CeO_(2)催化剂具有典型的介孔结构,比表面积为33.4~40.8 m^(2)/g,表现出了活性组分Co-Fe与载体CeO_(2)较强的相互作用。7CoFeCe显示出了较好的干重整催化性能,750℃下甘油转化率达84.8%,CO_(2)转化率达19.9%。随着温度的升高,CO_(2)转化率提高,在800℃下,CO_(2)转化率达到了30.3%,表明高温有利于逆水汽变换反应。稳定性实验表明,介孔CoFe/CeO_(2)催化剂具有较好的干重整稳定性。

不同气氛焙烧CeO_(2)负载镍基催化剂的制备及其催化甲烷二氧化碳重整反应性能研究

350℃直接煅烧硝酸铈得到颗粒状CeO_(2)载体,在不同气氛(Air、NH_(3)、N_(2)和H_(2))下焙烧CeO_(2)载体,采用浸渍法制备Ni/CeO_(2)系列催化剂,通过XRD和XPS研究了催化剂结构,并进行甲烷二氧化碳重整反应性能测试。结果表明,高温氮化处理的CeO_(2)载体中掺杂碱性N助剂,能够提高活性金属Ni分散度、降低Ni颗粒大小,增强金属-载体相互作用,从而提高了催化剂稳定性。

WO_(3)改性Cu/CeO_(2)催化剂选择性催化氧化乙二胺的性能研究

以CeO_(2)为载体、Cu物种为主要活性位点,采用浸渍法制备了一系列WO_(3)改性Cu/CeO_(2)催化剂。研究了WO_(3)质量分数对乙二胺(EDA)选择性催化氧化(SCO)性能的影响,并通过XRD、XPS、H_(2)-TPR、NH_(3)-TPD等方法对催化剂的物理化学性质进行了分析表征。结果表明,WO_(3)改性的Cu/CeO_(2)催化剂的N2选择性大幅提高,其中Cu/5W/CeO_(2)在337℃时对EDA实现了100%的转化率,该温度条件下NO_(x)的浓度大幅降低,同时具有较好的活性和选择性。表征结果表明,WO_(3)的引入显著提高了催化剂的酸性位点数量,促进了对反应副产物NO_(x)的催化还原,提高了反应的N2选择性。

CeO_(2)基水煤气变换催化剂COS中毒热力学研究

为探究COS对CeO_(2)基水煤气变换催化剂的中毒机制,用HSC Chemistry 6.0热力学数据库对CeO_(2)变换催化剂的COS中毒热力学进行了模拟计算,从热力学角度分析了在100~450℃水气变换温度下,COS分别与CO、H_(2)O和O2共存时,CeO_(2)催化剂可能发生的反应及产物。结果表明,温度分别高于150℃和300℃时,H_(2)O-COS-CeO_(2)和CO-COS-CeO_(2)体系中的CeO_(2)硫中毒可被明显抑制;O2对CeO_(2)硫中毒的影响最大,整个催化温度范围内,O2-COS-CeO_(2)体系中所有反应均可自发进行,含S固态产物为Ce2(SO4)3、Ce S2和S。

Co_(3)O_(4)/CeO_(2)催化剂上丙烷完全氧化反应中载体性质影响

采用不同制备方法合成不同性质的CeO_(2)载体,并制备负载型Co_(3)O_(4)/CeO_(2)催化剂应用于丙烷完全氧化反应。结果表明,部分CO_(2)+进入CeO_(2)晶格中形成固溶体,改变了CeO_(2)的晶格结构并产生氧空位。氧空位的数量与不同性质的CeO_(2)密切相关,影响催化剂上氧物种的可还原性,从而对反应行为产生影响。其中,以沉淀法制备的CeO_(2)为载体的5Co/CeO_(2)-C催化剂活性最佳(T_(90)=320℃),可归因于该催化剂中较高氧空位浓度导致的最佳低温可还原性。此外,该催化剂还具有良好的稳定性和抗水性能。

CeO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的制备及其可见光催化性能

文章采用水热法制备出CeO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂,利用XRD、SEM、UV-Vis、XPS、PL等方法对其进行了表征。选择四环素(TC)为模拟污染物,考察了CeO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的可见光催化降解性能。结果表明,CeO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合材料可拓宽CeO_(2)对可见光的响应,有效抑制g-C_(3)N_(4)光生电子-空穴的复合,使得CeO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的活性比单纯g-C_(3)N_(4)和CeO_(2)有显著提升,其中质量比为4∶1时的复合光催化剂活性最高,在可见光照射90 min后,对质量浓度为50 mg/L TC的光降解率达到96.4%。并且经过5次循环使用后复合材料降解TC的效率为76.5%,表现出良好的稳定性。光催化机制研究表明,空穴(h+)是光催化降解TC的主要活性物质。

对撞流反应器制备高性能Ni/CeO_(2)甲烷干重整催化剂及其反应机理研究

利用对撞流反应器制备高性能Ni/CeO_(2)甲烷干重整(DRM)催化剂。针对传统反应釜制备的Ni/CeO_(2)甲烷干重整催化剂活性较低、稳定性较差的问题,从提高催化剂氧空位含量的角度出发,利用对撞流反应器具有优异传质及混合的特点,制备高活性、高稳定性Ni/CeO_(2)催化剂。探究了对撞流共沉淀合成条件对反应活性及稳定性的影响,在流速100mL/min的工艺条件下制备的Ni/CeO_(2)催化剂可以实现93%的CO_(2)转化率及85%的CH4转化率,并且维持较好的稳定性。利用XRD、BET、TEM、CO化学滴定及Raman等表征手段探究了催化剂结构与性能之间的关系。研究结果表明,与传统的共沉淀过程相比,对撞流共沉淀过程因其具有较强的混合及传质能力,所制备的Ni/CeO_(2)催化剂具有较高的比表面积和Ni颗粒分散度,提高了DRM反应活性;同时丰富的氧空位不仅能够促进CO_(2)的活化,并且有助于积炭的消除,从而增强DRM高温反应下的稳定性。

焙烧气氛对棒状CeO_(2)催化CO_(2)和甲醇直接合成DMC的影响

二氧化碳(CO_(2))和甲醇(MeOH)直接合成碳酸二甲酯(DMC)是一条符合绿色化学要求的DMC制备路线,并可实现CO_(2)资源化利用。氧化铈(CeO_(2))基催化剂被广泛应用于该反应,目前研究主要集中在形貌调控与杂原子掺杂对催化剂催化性能的影响。采用水热合成法制备了棒状CeO_(2)前驱体,然后在不同的焙烧气氛(分别为H_(2)、N_(2)、air和O_(2))中处理前驱体得到相应催化剂,然后将催化剂应用于2-氰基吡啶(2-cp)作脱水剂的CO_(2)和MeOH直接合成DMC(加入0.10 mol MeOH、0.05 mol 2-cp和0.32 g催化剂,在120℃、5 MPa的条件下反应2 h)中,研究了焙烧气氛对催化剂催化性能的影响。采用XRD、N2吸/脱附和SEM等对催化剂的晶相结构、织构性质和形貌等进行了表征。结果表明,4种催化剂在结构性质和形貌方面没有表现出明显差异,而催化剂表面的Ce价态与酸碱位点密切相关。催化剂表面存在的丰富缺陷位点使其具有较大的比表面积和平均孔径(CeO_(2)-air的比表面积和平均孔径分别为65.44m^(2)/g和30.06nm),催化剂主要暴露的CeO_(2)(111)晶面能促进DMC的生成。与其他3种催化剂相比,CeO_(2)-air因表面含有最丰富的中强酸碱位点和总的酸碱位点,以及较强的弱酸酸性而表现出最好的催化性能,该催化剂作用下的DMC产率和DMC选择性分别为83.2%和99.3%。

制备方法对Ru/CeO_(2)催化氨分解性能的影响

采用共沉淀法、沉积沉淀法和浸渍法制备了Ru/CeO_(2)催化剂,利用XRD、N_(2)吸附-脱附、SEM、CO_(2)-TPD、H_(2)-TPD、H_(2)-TPR、XPS、N_(2)-TPD等方法对催化剂进行表征,并考察了催化剂的氨分解性能。实验结果表明,共沉淀法制备的Ru/CeO_(2)-CP催化剂在450℃、气时空速15000 h-1条件下,氨转化率可达80.7%,是沉积沉淀法和浸渍法制备Ru/CeO_(2)催化剂的1.3,2.7倍。共沉淀法制备的催化剂表面疏松,具有最大的比表面积,为催化剂提供了更为丰富的碱性位点。CeO_(2)载体与Ru金属间的强相互作用有利于电子从CeO_(2)向Ru的转移,提高了Ru粒子表面的电子密度,促进了N物种在催化剂表面的结合脱附。

三维多孔LaFeO_(3)/CeO_(2)/SrTiO_(3)光芬顿和光催化协同脱色亚甲基蓝

以聚甲基丙烯酸甲酯微球为模板,采用溶胶-凝胶法和化学沉淀法制备三维多孔催化剂3DP LaFeO_(3)/CeO_(2)/SrTiO_(3)。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、多站式全自动比表面与孔径分析仪、X射线光电子能谱仪和紫外可见分光光度计等仪器对催化剂进行表征,并考察了该催化剂对亚甲基蓝的脱色效果,分析了pH、过氧化氢剂量和温度对脱色效果的影响。结果表明,3DP LaFeO_(3)/CeO_(2)/SrTiO_(3)复合材料被成功合成,呈现多孔结构,具有高的比表面积和光学特性。该催化剂在亚甲基蓝的脱色反应中表现出优异的催化性能,具有宽的pH使用范围,且能有效降低铁泥产量,大大降低二次污染。通过适当升高过氧化氢用量及反应液温度,可以提高催化剂的催化脱色性能,过氧化氢的最佳投加量为5 mL/L,反应液最佳温度为55℃。最后,提出了亚甲基蓝脱色的催化机理,在催化剂的光芬顿和光催化协同作用下,实现Fe^(3+)/Fe^(2+)和Ce^(4+)/Ce^(3+)持续循环和活性物种的产生。

基于一锅法制备的Ag/AgCl/CeO_(2)复合纳米材料及其光催化有机物降解性能

采用一锅法制备Ag/CeO_(2)光催化剂,并通过原位氧化法进一步制备Ag/AgCl/CeO_(2)复合材料,使用XRD、SEM对Ag/AgCl/CeO_(2)复合纳米材料的结构、形貌进行表征,采用橙黄II、罗丹明6G、诱惑红等有机染料测试复合材料的光催化性能。结果表明:AgCl在Ag/AgCl中占比80%时,Ag/AgCl/CeO_(2)复合材料的光催化性能最佳,在模拟太阳光辐照6 min后能降解93%的橙黄II,且在4次循环8 min内能降解90%以上的橙黄II,在紫外-可见混合光照60 min后,能降解约90%的罗丹明6G和诱惑红。Ag/AgCl/CeO_(2)复合材料具有优异的光催化活性的主要原因是贵金属Ag的局域表面等离子共振效应以及金属/半导体异质结结构。

光催化剂制备与环保应用研究

针对传统光催化剂回收困难、组装不易、稳定性差等问题,制备了性能优良的铜网基CeO_(2)/Cu_(2)O/Cu光催化剂,并对光催化剂的X射线衍射(XRD)、光催化活性、自由基、循环实验进行测试,分析其在空气污染治理中的应用前景,为实际空气污染提供理论依据。研究结果表明:铜网基CeO_(2)/Cu_(2)O/Cu光催化剂具有较强的降解效果、矿化率高;具有较强的循环降解能力,10次光催化降解后矿化能力仅下降4.1%,去除二甲苯能力仅下降5.5%;在空气污染治理测试140 min时二甲苯和甲醛基本被降解完毕,160 min时3种污染物全部被降解改善效果明显。

掺杂CeO_2的CuMnOx复合氧化物催化剂的制备及对甲苯催化燃烧性能研究

以γ-Al2O3为载体,采用浸渍法制备了掺杂铈的铜锰复合氧化物催化剂,考察了铜锰原子比、铈的掺杂量、浸渍液浓度及催化剂制备焙烧温度对催化剂催化燃烧甲苯性能的影响,同时对该催化剂用于甲苯催化燃烧过程的稳定性进行了研究.实验表明:铜锰原子比1:2,铈掺杂量Cu:Mn:Ce=1:2:0.2,浸渍液质量浓度0.0278g/mL,焙烧温度600℃是催化剂制备的较优条件;经过45小时的连续催化操作,催化剂对甲苯的转化率仍保持在97%以上,表现出良好的稳定性.

等离子体辅助柠檬酸络合浸渍法制备Ni基催化剂及其CO_(2)甲烷化反应催化性能

高活性、高稳定性的CO_(2)甲烷化催化剂对于合成天然气的生产以及CO_(2)减排至关重要。采用柠檬酸络合浸渍,等离子体处理再焙烧制备了一系列CeO_(2)修饰的Ni基催化剂用于CO_(2)甲烷化反应。在等离子体和柠檬酸的协同作用下,活性金属Ni高度分散。研究了柠檬酸和总金属阳离子(Ni2+、Ce3+及Mg2+之和)的物质的量之比(C/I值,0.5、1.0、1.5和2.0)对催化剂结构和低温CO_(2)甲烷化活性的影响。结合H_(2)-TPR、CO_(2)-TPD和XPS表征分析发现,改变C/I值可以有效调节金属-载体相互作用、表面碱度和氧空位相对含量,从而调控CO_(2)甲烷化活性。随着C/I值增加,NiCe-CP-x(x=0.5,1.0,1.5,2.0)的催化性能先增加后降低。最佳C/I值为1.5,此时NiCe-CP-1.5催化剂在低温240℃下,CO_(2)转化率达到81.5%,CH_(4)选择性为99.0%。在300℃下对催化剂进行了80 h的稳定性测试。结果显示,CO_(2)转化率保持在90%左右,没有明显的失活现象,催化剂性能稳定。