CuMnOx / γ-Al2O3催化剂氧化一氧化碳的表征及活性外文翻译资料

 2022-08-11 15:04:48

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CuMnOx / gamma;-Al2O3催化剂氧化一氧化碳的表征及活性

概要

在CuMnOx催化剂中加入gamma;-Al2O3载体可提高CuMnOx催化剂的分散能力。 铜、锰氧化物与gamma;-Al2O3载体之间存在很强的相互作用。 用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量分散X射线（SEM-EDX）扫描电镜（SEM-EDX）和BET比表面积测试法（BET）分析了 gamma;-Al2O3对表面负载CuMnOx催化剂分散、活性状态和还原行为的影响。表征结果表明，CuMnOx / gamma;-Al2O3催化剂的有效表面位置主要存在Cu 、Mn2 和Al。 这些结果表明，铜、锰和氧化铝之间存在协同作用，这是CO氧化反应的高催化活性的原因。 在CuMnOx / gamma;-Al2O3催化剂中，40%CuMnOx / gamma;-Al2O3催化剂在130°C温度下对CO的完全氧化具有最高的催化活性。 本文的主要目的是寻找gamma;-Al2O3载体在CuMnOx催化剂中的最佳比例，以便在低温下CO的总氧化。 在CuMnOx催化剂中使用gamma;-Al2O3载体可以在不牺牲性能的情况下降低成本。

导言

一氧化碳（CO）是一种无色、无味但剧毒的气体，被称为21世纪的无声杀手。 二氧化碳是一种有毒和危及生命的气体，对人类和其他形式的呼吸空气的生命，因为吸入即使是相对较小的浓度，也会导致严重的伤害、神经损伤和可能的死亡。 当CO进入血液时，它与血红蛋白结合并形成碳氧血红蛋白，从而降低血液的携氧能力。 大量的CO排放在环境中，主要来自交通、壁炉、工业和家庭活动。 催化氧化CO为CO2是一种重要的工艺，应用于呼吸保护、汽车排放控制、工业空气净化、气体CO清除和燃料电池等各个领域。 该领域的研究主要集中在提高CO在低温下氧化的催化活性上。催化剂在给定反应中的作用是通过降低活化能势垒来改变在给定反应温度下的反应速率。 已经有大量的催化剂报道了CO的氧化活性，可分为两类。 第一类包括贵金属（Pt、Pd、Rh、Au、Ag等）催化剂，是公认的具有高活性和理想温度稳定性的CO氧化催化剂。 然而，贵金属具有相对较高的成本和有限的可用性，因此这些金属可能抑制其大规模应用。 第二类，包括各种类型的贱金属氧化物催化剂，已被广泛研究用于CO氧化，如Cu、Mn、Cr、Co、Ni、Fe等的氧化物单独或组合。 贱金属氧化物是其他催化材料中最便宜的，受到了CO氧化的极大关注。

铜锰复合氧化物（CuMnOx）催化剂是低温下用于CO氧化的最佳过渡金属氧化物催化剂之一。 Lamb于1920年发现了铜锰复合氧化物（CuMnOx）混合物对低温CO氧化的活性，从那时起，铜锰复合氧化物已成为在室温下进行CO氧化的著名氧化催化剂， CuMnOx催化剂的结构、形态和催化性能取决于制备方法和煅烧条件。 在含氧环境下热处理的CuMnOx形成CuMnOx尖晶石相，而无氧气氛导致CuOx相的减少，形成Cu金属，MnOx相的减少，形成Mn金属。 CuMnOx催化剂的活性与CuMn2O4尖晶石相的存在有关，具有优良的含量，具有较高的活性。 在这些条件下，CuMnOx混合氧化物具有离散相，可以保持，并与催化反应有关。

从以往的研究中，人们认识到只有Cu和Mn氧化物催化剂的活性低于混合CuMnOx。 显然，Cu和Mn氧化物之间的协同效应在所有情况下都增加了活性。 它们的结果强烈依赖于CuMnOx催化剂的组成和氧化化合物的性质。 在纯CuO中加入少量的MnOx会导致它们对CO氧化的活性急剧增加。 铜MnOx催化剂的成功鼓励了对每种元素所起作用和活性中心性质的研究。 新的氧化还原方法允许制备高比表面积的非晶态CuMnOx催化剂，以及在低温下CO氧化的高催化活性。 在CO氧化过程中，氧最初以活化能吸附在CuMnOx表面。 当达到一个良好的温度，使氧的吸附达到足够的比例时，CO通过催化剂，表面要么与吸附的氧公开反应，要么是一次吸附，然后反应，然后产生的CO被解吸。

已知CuMnOx和负载CuMnOx对CO氧化反应具有很高的活性。大多数研究致力于支持CuMnOx催化剂。 这类催化剂最常用的载体是氧化物：Al2O3，SiO2，TiO2，ThO2等。 作为载体，gamma;-Al2O3在CuMnOx催化剂中起着重要的作用，据报道，该催化剂对CO的完全氧化具有活性，并在CuMnOx催化剂的几个顺序中表现出特定的活性。铜MnOx与CuMnOx/gamma;-Al2O3催化剂之间的协同作用具有高度分散的CuO纳米粒子。具有高表面积的介孔骨架负责CuMnOx催化剂对低温CO氧化的高催化活性。

载体对所得催化剂的活性有很强的影响。本研究的主要思想是获得更多关于gamma;-Al2O3负载的CuMnOx催化剂的信息，并评估其在CO氧化中的实际应用的可能性。 结果表明，混合Cu-Mn/Al2O3催化剂的相组成和还原性能取决于Cu/Mn摩尔比。 共沉淀法制备CuMnOx负载gamma;-Al2O3催化剂是开发具有增强CO氧化活性的催化剂的合适途径。铜锰氧催化剂在CO氧化方面表现出良好的性能，比贵金属催化剂便宜。它可以进一步便宜使用gamma;-Al2O3载体，而不牺牲反应的性能。 在gamma;-Al2O3载体中存在丰富的孔隙和大的比表面积，对进一步提高CO氧化性能具有很大的潜力。

氧化铝洗涤单片已用于TWC转换器。 然而，氧化铝负载CuMnOx催化剂对CO氧化的关注较少。 进一步认识到催化剂的制备方法决定了金属微晶的分散性和尺寸分布。 载体的空间分布对组分的均匀性和形貌等的影响，进而强烈影响催化剂的活性。 因此，不同的研究人员已经开发了各种方法来制备高活性的CuMnOx催化剂。 催化剂的活性顺序与XRD、FTIR、SEM-EDX和BET的表征结果相匹配。 本工作旨在探讨制备方法对gamma;-Al2O3负载的CuMnOx催化剂进行CO氧化反应的形貌和性能的影响。 本文的主要目的是为了了解不同百分比（gamma;-Al2O3）载体在CuMnOx催化剂中的作用提高了它们对CO氧化反应的性能。

实验

催化剂制备

采用溶胶-凝胶法制备支架硝酸铝（NO3）2·9H2O与氢氧化铵（NH4OH）在蒸馏水中的反应制备gamma;-Al2O3 。通过严格控制pH值和反应温度，采用氧化铝作前驱体。生产的凝胶经过洗涤后离心纯化。为了获得gamma;-Al2O3载体的比表面积和平均孔体积，我们必须在120°C的温度下将离心gamma;-Al2O3溶液凝胶放入高压釜机器中16h，压力为15Psi。 在完成高压过程后，我们将gamma;-Al2O3凝胶在120°C的温度下放入烘箱中24h，然后煅烧后gamma;-Al2O3前驱体在600°C的空气中停留2h，煅烧后的gamma;-Al2O3载体存放在密闭的玻璃瓶中。采用共沉淀法制备了CuMnOx催化剂。 所有使用的化学品都是分析纯的。在搅拌条件下，在搅拌条件下，将（Mn（CH3COO）2·4H2O）（14.70g在33mL H2O中）加入3.68g铜溶液（II）。 所得沉淀物连续搅拌2h，CuMnOx催化剂中Cu/Mn的摩尔比为1：8.3。 沉淀时以分数为（0.6-1.0mm）的gamma;-Al2O3作为载体在CuMnOx催化剂中。 沉淀物被过滤并用热蒸馏水洗涤几次，以去除所有的阴离子。 所得到的蛋糕在110°C的温度下干燥12h，放入烘箱中，在300°C下煅烧2h。在300°C的反应器中，在300°C的反应器中进行了CuMnOx/gamma;-Al2O3前驱体的原位低流空气煅烧2h，就在活性测量实验之前。 将CuMnOx/gamma;-Al2O3催化剂颗粒粉碎成粉末，存放在密闭玻璃瓶中。 在表1中给出了煅烧过程中得到的CuMnOx/gamma;-Al2O3催化剂的命名。

催化剂的表征

扫描电子显微镜（SEM）通过电子束产生催化剂的高分辨率图像，并在蔡司EVO18（SEM）仪器上记录催化剂的图像。 放大图像5000x和加速电压15kV。 它提供了催化剂的平均集料尺寸、结晶度和微观结构的信息。 能量色散X射线（EDX）分析仪提供了催化剂中存在的化合物的元素鉴定和定量成分分析。用RigakuD/MAX-2400衍射仪对催化剂进行了X射线衍射（XRD）分析，在40kV和40mA下进行了Cu-K辐射。 它是一种快速分析技术，主要用于测量相鉴定、晶体取向、晶粒尺寸、单元尺寸和晶体缺陷尺寸等。 傅里叶变换红外光谱（FTIR）通过其峰值提供了催化剂样品中存在的材料种类的信息。 测量由岛津8400FTIR光谱仪在400-4000cm-1范围内进行。BET比表面积测试法（BET）提供了催化剂比表面积、孔容和孔径的信息。 该等温线由Micromeritics ASAP2020分析仪记录，N2在液氮（-196°C）温度下的物理吸附，平均压力范围为0.05–0.30 P/Po.

CuMnOx / gamma;-Al2O3催化剂的CO氧化性能

在以下反应条件下进行CO的催化氧化：100mg催化剂，在空气中CO的2.5vol.%的存在下，以60mL/min的总流量保持，并采用固定床表流反应器。 通过CaO和KOH颗粒干燥塔使空气不受水分和CO2的影响。 反应温度从环境到200°C，升温速率为1°C/min。 基于微处理器的温度控制器控制加热速率。利用数字气体流量计对CO和空气的流量进行了监测。 等式（1）代表催化剂上CO的空气氧化。

用配备有甲烷化剂、porapackQ-柱和FID检测器的在线气相色谱仪（Nucon系列5765）对气体产品进行了分析，以确定CO和CO2的浓度。

用于测试用于CO氧化的CuMnOx/gamma;-Al2O3催化剂的实验装置如图所示 1。测定了CO转化为CO2的催化活性。在任何时刻，CO的转化率都是由进料流和产品蒸汽中CO的浓度值计算出来的。

其中，CCO是CO的浓度，与色谱图ACO的相应面积成正比。

CO氧化反应机理

CO的产生还取决于发动机的空气/燃料比率，而且由于供应丰富的空气-燃料混合物，发动机的断裂功率增加了CO含量。 通过非均相机理，CuMnOx/gamma;-Al2O3催化剂表面可发生CO氧化反应。 在CO氧化过程中，氧首先以活化能吸附在CuMnOx/gamma;-Al2O3催化剂表面。 不同的反应机制与观察到的动力学一致。 第一种机理代表了CuMnOx/gamma;-Al2O3催化剂表面上广泛接受的CO氧化反应，它涉及O2吸附形成O2*前驱体，它们在相邻空位上分离。 在第二种机制中，O2的活化是通过动力学上适用的CO*辅助O2离解步骤进行的，而不需要稳定的O2 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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