离子交换型分子筛催化剂和Ru负载型催化剂对N2O吸附和催化分解的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张博 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2010-05-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 贺泓 |
| 关键词 | 氧化亚氮 吸附 催化分解 ZSM-5 钌 乙醇氧化 Nitrous oxide Adsorption Catalytic decomposition Ru Ethonal oxidation |
| 其他题名 | Ion-exchanged zeolite catalysts and Ru supported catalysts for the adsorption and catalytic decomposition of N2O |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | N2O 是第三大温室气体，对全球变暖的贡献程度仅次于CO2 和CH4。此外，N2O 也是平流层中NOx 的主要来源，可破坏臭氧层。因此，研究和开发N2O 的源排放控制技术和末端消减技术，将是一个极具前瞻性的课题。本论文以分子筛催化剂为研究对象，结合理论计算和实验方法对N2O 在各种分子筛上的吸脱附行为进行了系统研究；通过催化反应活性评价和各种表征方法，发现高温处理Fe/ZMS-5 催化剂能够提高分解N2O 的活性，并对其机理进行了系统分析；进一步在无保护剂的条件下，合成了可稳定分散于水中的Ru/RuO2 核壳结构的纳米颗粒，然后将该纳米颗粒负载到氧化物载体上，考察了各种Ru 负载型催化剂催化N2O 直接分解以及其他催化反应的活性。主要研究内容和结果如下： (1) 利用程序升温脱附实验和密度泛函理论计算两种手段，研究了N2O 在一系列离子交换型ZSM-5 上的吸脱附行为。交换离子包括第一、第二主族元素以及第四周期过渡金属元素。研究结果发现：过渡金属离子交换的分子筛，各离子向N2O 分子的电荷转移量是影响吸附能的主要因素。电荷转移量越大，离子对N2O 的吸附强度越高。理论计算的吸附能(Eads)与实验获得的脱附温度(Tmax)之间关系的经验方程，对于低价态的离子(+2 价的离子)：Eads = -12.76 - 0.31Tmax，高价态的离子(+3，+4 价离子)：Eads = 50.08 - 0.814Tmax；主族金属离子交换的分子筛，碱土金属离子与N2O 的吸附作用普遍强于碱金属离子；Ba-ZSM-5 吸附量最大、脱附温度最高吸附量最大，显示出了最佳的吸附性能，适用于作为N2O 的吸附储存材料应用于工业领域。 (2) 采用液相离子交换法制备了Fe/ZSM-5 分子筛催化剂，利用Ar 气氛下高温热处理方法，提高了Fe/ZSM-5 催化剂活性。活性评价发现，处理温度为750oC的催化剂(FZ750)活性最好；结合XRD、UV/vis DRS、XAFS 表征结果以及脉冲实验和O2-TPD 实验结果，研究了高温处理对催化剂中活性物种的影响以及催化N2O 分解机理；明确了无定形态的多核FeOx 中键长较长的Fe-O 是催化剂中具有活性的结构，其数量决定了催化剂的表观活性。热力学动力学构效关系的研究表明：对于不同温度处理的Fe/ZSM-5 催化剂催化N2O 分解反应体系，指前因子是影响反应速率的决定性因素；α-O 的熵变ϑr m S ≠ Δ 是影响反应速率的关键参数。 (3) 利用恒电势法制备了Ru/RuO2 核壳结构的纳米颗粒。利用一系列定性、形貌和颗粒电性的表征手段，证明了Ru/RuO2 纳米颗粒能在无保护剂存在的条件下稳定分散于纯水中。不同酸度的洗液及沉积基底会对Ru/RuO2 核壳结构的纳米颗粒的结构和形貌产生影响：中性水洗涤的纳米颗粒沉积在铜基底上，会组装成棒状，而在单晶硅基底上没有发生明显的组装行为；稀酸洗涤的纳米颗粒，Ru核和RuO2 壳会发生分离，并在载体上聚集；浓盐酸洗涤的颗粒，Ru 核和RuO2壳会发生化学反应生成新的Ru 氧化物相。 (4) 将核壳结构的Ru/RuO2 纳米颗粒负载在不同的氧化物上制成Ru 负载型催化剂，对催化剂的形貌和结构进行了表征，并考察了其催化分解N2O 以及催化氧化乙醇的活性。各种表征结果表明：Ru/RuO2 颗粒在Al2O3 和TiO2 载体上会被完全氧化或部分氧化成RuO2，并发生聚集；而在CeO2 上Ru/RuO2 颗粒的核壳结构和形貌能够保持良好。催化N2O 分解的活性评价实验结果表明：Ru 负载型催化剂对N2O 分解反应具有较高活性；载体、Ru 颗粒的形貌和结构对N2O 分解反应影响不显著。催化氧化乙醇结果表明：Ru/CeO2催化活性最高，可在160 oC，GHSV=60,000 h-1 条件下，实现对1000 ppm 的乙醇的完全氧化为CO2，且在200h 内活性不下降；而对于乙醇部分氧化成乙醛的反应，Ru/TiO2 催化剂活性最高，在180 oC，乙醛产率可达到88％。 |
| 学科主题 | 环境化学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-08-18 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/640]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_大气环境科学实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张博. 离子交换型分子筛催化剂和Ru负载型催化剂对N2O吸附和催化分解的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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