关于在室温下使用Pt/TiO2催化剂的HCHO氧化特性外文翻译资料

 2022-12-07 16:25:39

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关于在室温下使用Pt/TiO2催化剂的HCHO氧化特性

金成洙，朴光熙，洪成昌lowast;

韩国，京畿道，水原市，靈通区，二儀洞 山 94 ，京畿大学，环境能源系统工程系

本文介绍

摘要

本文历史：

2010年9月24日收到

2011年3月9日收到修正版

2011年3月11日被采用

2011年3月21日在网上可以查到

关键词:

HCHO

Pt/TiO2 氧化作用

室温

价态

由浸湿法制备的Pt/TiO2催化剂研究了HCHO在室温下的氧化作用。催化性取决于TiO2辅助剂类型和HCHO的给料速度。表面一氧化碳种类是HCHO氧化作用的主要中间体，可以通过使用原位漫反射红外光谱（DRIFTS）来检查。XPS分析确认了催化性能和催化剂的价态密切相关。然而，XPS分析显示在温度高于873K的还原处理中，由于PT聚集，活性位的数量减少。

copy; 2011 Elsevier B.V. 保留所有权利.

介绍

随着最近的技术进步，人们逐渐从室外转向室内的生活方式。结果，对于室内空气质量越来越关注。由于用来改善热效率和能源节约的密闭空间的增加，室内空气质量的质量已经变差了，导致了绝热和各种家用电器的增加。另外，室内空间越来越盛行导致了来自建筑材料的新污染物质的排放。

全世界发生了很多事物，引起了对室内空气质量的关注。这些事故促进了各国通过控制空气质量的法律和规定。德国在1980年发现了SBS（病态建筑综合征）的存在，日本则在1996年有了同样的发现。1995年，芬兰公布了M-Class 小室，丹麦公布了Clean-PAC 小室和FLEC。2000年5月份，WHO（世界卫生组织）声明“每个人都有权呼吸干净空气”。

室内空气质量由大量不同的物质组成，包括VOCs(挥发性有机化合物),CO, 香烟产生的烟雾，CO2, 石棉、氡、和浮沉[1,2]. 在所有的这些物质中，甲醛是最有毒的，它由一系类不同源头所排放的，比如，家具，保温设施、除臭剂、香烟、化妆品和胶合板的氧化。对于短期吸入人体，甲醛进入眼睛和鼻子的黏膜层，如果暴露扩长时间，人们会产生咳嗽、腹泻、皮肤病(过敏)、情绪 不稳定和失忆症。

减少空气中甲醛水平的方法主要被分为要么是吸附法或催化氧化法。最近多个研究在实验室和室外都检验了使用吸附剂去除HCHO的能力。然而这些吸附剂材料表现出由于长期

去除能力的不足的有限效用。不像使用吸附剂材料去除，对CO2催化氧化进行至结束，并且没有时间显示。载贵金属之前被显示用来促进完成HCHO在低温中的氧化作用，包括在室温的情况下。比如，HCHO在473 K [3]的温度下被Ru/CeO2 催化剂完全氧化，在空气流中363K的温度下[4].被Pd–Mn/Al2O3催化剂所完全氧化。陶瓷支撑的Pt在423 K时转化HCHO也具有100%效率[5]。最近的研究显示HCHO关于载贵金属(Pt, Pd, Rh or Au)催化剂的氧化和吸附明显降低了反应温度[6–9]。 特别是， Pt/TiO2催化剂被发现在室温下活跃地将HCHO氧化为CO2 和 H2O[8,9]。在衡量了参入了各种金属的催化剂的活跃性，比如Pt, Rh, Pd and Au/TiO2。张等人[8,9]提出了使用DRIFTS (漫反射红外光谱)的反应模型。在这模型中，催化活性根据产生的具体中介物质而不同比如CO。然而，TiO2辅助剂的影响仍然没有被检验。

Fig. 1. 用来HCHO氧化的固定床反应器的图表

唐等人 [10]之前检验了反应温度作为关于HCHO进料浓度的化剂预处理步骤的效应。在这个之前的研究中，显示还原催化剂表现出了出色的活跃性，以及最佳还原温度取决于MnOx–CeO2辅助剂的特性。另外，更高的HCHO进料浓度之前被显示导致了催化活性被大大降低。然而，催化剂表面种类没有通过DRIFTS 被检验，它们的反应特性只被简要地讨论。

尽管存在多种可供用于氧化作用研究的HCHO来源，最广泛使用的是甲醛。其他的常见来源是多聚甲醛，在最近唐等人的研究中被使用到[10,11]。目前，对于这两种HCHO来源类型的差异的了解很少。

因此，在这个研究中，HCHO在室温下的氧化特性通过使用不同的催化剂辅助剂和在不同反应条件下被评估。我们分析催化剂表面特性来研究影响HCHO氧化作用的关键因素。 HCHO来源的对于反应的影响也可以通过同时使用甲醛和多聚甲醛。

材料和方法
    1. 准备催化剂

由TiO2 辅助剂的 Pt 催化剂通过浸湿法使用不同的商用TiO2 辅助剂 准备。首先，TiO2的铂含量根据所需成分，被计算为1 wt%。计算出来的铂氯化物[PtCl4: Aldrich 化工公司]的总量随在333k下的蒸馏水中被溶解。接下来，计算出来的TiO2的量被一边搅拌一边缓慢加入到溶液中。搅拌混合溶液一个多小时成粘合液，随后在343K下利用一个旋转蒸发器（东京理化公司。N-N系列）蒸发。在蒸发的步骤之后，

固体在376K下脱水24小时。固体在573K下，在30% H2/N2 气体中被还原3个小时，以10 K/min的速度加热，然后在673K下在空气中煅烧4个小时。

    1. 催化剂活性测定

图1显示固定床反应器被用来在室温下检查HCHO的氧化特性。 在撞击法获得的甲醛被固定在一个常温容器中，HCHO沸腾的甲醛通过特定量的输送空气被注入到撞击器。气体入口使用无锈钢带制作，保持一个恒定温度373k。反应器由一个连续流动型的由内径8mm高度60cm的石英管组成的固定床反应器组成。石英棉被用来固定催化床。反应器的温度通过在反应器外面灌注水来控制，一个K型的热电偶被安装来测量温度。

为了测量反应物和生成物的浓度，通过一个非扩散红外线气体分析器(ZKJ-2, Fuji Electric Co.)来分析CO和CO2 。一个催化氧化塔(Pt/TiO2(C) 温度 573 K) 被用来测量从HCHO给料中产生的CO2浓度。一摩尔HCHO被氧化产生一摩尔CO2。催化氧化塔被用来将HCHO完全氧化成CO2，通过使用THC（总碳氢，温度55C）分析仪和检测管(CO, HCHO, MeOH, HCHO, HCOO)来测量反应塔后端未反应的HCHO。然而，未反应的HCHO没有被检测到。

这个研究中CO2的入口浓度是使用一个NDIR分析器和GC，在甲醛通过催化氧化塔中沸腾后被测量的。此外，CO2的入口浓度是在其通过每一个准备好的温度为298K的Pt/TiO2 催化床反应器后被测量。由于HCHO被吸附在催化剂上是不可避免的，出口浓度在吸附达到饱和水平时才被测量。

    1. 催化剂性能描述

催化剂具体表面区域利用一个ASAP 2010C(Micromeritics Co.)来测量，具体表面面积利用BET方程式来计算。每一个样本在110◦C 真空中脱气3-5小时后被分析。

为了观察TiO2辅助剂和Pt/TiO2催化剂的晶体结构，进行了XRG分析以及XRD 模型利用一个D/Max-III (3 kW)衍射仪（日本理学公司）来分析。Cu Ka (h = 0.1506 nm)被用作射线源，所做测量的以扫描速度4◦/min，在2amp; = 10–90◦的范围内。

一个ESCALAB 210 (VG科学公司) 被用来XPS分析，一个Al Ka一色视(1486.6 eV)被用作激发源。在含水分的催化剂在372K温度下经过24小时脱水完全被出去水分，催化剂未经表面表面溅射和刻蚀而被分析以至于XPS设备中的真空杯保持在0–12 mmHg。样品中Pt, O 和 C 的键能和强度是基于其宽扫描谱上被分析的。

催化剂的特性在于其在298K的CO化学吸附作用的色散和微晶大小。在573K下氢流体中激活30分钟的催化剂样本被冷却到298K，然后和CO脉冲中达到饱和。(CO/He = 10/90 为 vol.%).

反应率用以下表达式计算出来[12],

:

rHCHO =

in

HCHO minus;

(C

out

C

)F

HCHO ,

W

当 rHCHO 是HCHO (mol sminus;1 g–1 cat)的转化率，F是总流动速度

和 是对应的HCHO入口和出口的浓度。这些结果，

HCHO

.和金属色散测量一起，被用来计算HCHO的反应效率(TOFs) ，被被定义为每秒(sminus;1)每表面金属原子HCHO的转换摩尔数，

Cout

rHCHO ABM

图2. 1% Pt/TiO2X射线衍射图谱

TOF =

,

DXM

催化剂活性也在TOFs条件下被研究了。如果TOF所显示的活性和转换率所显示的活性之间没有差异的话，催化剂的活性被通过Pt分散来确定。然而，如果两种活性之间有差异

当 ABM 代表金属M的原子重量，XM代表金属容量(gmet/gcat)，D代表金属色散[12].

结果和讨论
    1. HCHO在室温下后面跟随着的TiO2类型的氧化特性

在这个研究中5锐钛矿和1金红石TiO2辅助剂，各种特定表面积、粒径被选来用于检查在催化活性中的TiO2 阶段的效应。

Pt/TiO2 催化剂的结构通过XRD被检验，在图2中显示。所有的样本被显示由TiO2以其锐钛矿型和金红石形式组成。在Pt/TiO2 催化剂的Pt阶段衍射线的缺失显示了铂经过辅助剂被高度分散，如之前张等人所报告的一样[7–9].

不同TiO2辅助剂和在目前研究中合成的Pt/TiO2催化剂的物理化学特性在表格1中总结了。大多数催化剂的特定表面面积与原TiO2相比相对要低一些。Pt的分散和Pt的粒径根据TiO2类型的不同而不同。

Pt/TiO2 催化剂的活性也在表格1中显示。TiO2(C)催化剂显示了最高的催化活性，HCHO转化率超过45%。活性的顺序如下：TiO2(C) gt; TiO2(E) gt; TiO2(D) gt; TiO2(B) = TiO2(A) gt; TiO2(F)。

的话，活性的大小将在单位活跃点上不同。在这个研究中，有关每个催化剂的活性之间的被观察到了差异。因此不同催化剂之间的活性差异不是因为Pt分散的不同（单位活跃点的数量），而是因为在每个单位活跃点上的活性大小的不同。

不同类型的TiO2催化剂的催化活性在有关HCHO氧化作用中形成的中介物质被评估。Pt/TiO2(C), Pt/TiO2(D) 和 Pt/TiO2(F), 显示了活性的不同水平，被选来暴露在惰性气体N2中的甲醛里1小时。然后，只有供应一个小时的惰性气体N2 。这个步骤之后，供应空气(N2 80%, O2 20%)1小时。这个实验的目的是为了判断是否所吸附的HCHO被通过催化剂氧化作用被氧化了（晶格氧，或被吸附在催化剂表面的氧—）以及确认反应中间体。 Pt/TiO2(C)作为在室温下发挥时间功能的 DRIFTS波谱的活跃变化在图3中显示，在催化剂在每一个反应步骤中达到一个稳定状态时候的DRIFTS波谱在图4中显示。所吸附的通过HCHO吸附在Pt点被形成的Pt/TiO2(C)的CO样本峰值在2062 cmminus;1下被观察到，桥接吸附的CO样本峰值（也是通过HCHO吸附）在

Table 1

Pt/TiO2 催化剂的物理化学特性及其活性。反应温度= 298 K, HCHO = 36 ppm, O2 = 21%, N2 平衡, 总流动速度 = 500 ml/min.

SSA of TiO2 (m2 /g)

SSA of Pt/TiO2 (m2 /g)

Dispersion (%)

Conversion (%)

TOF times; 102 (sminus;1 )

Relative calculated areas of the adsorbed CO peak (2062 cmminus;1 )

lt;

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