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MnOx-Cr2O3催化剂制备及其对苯催化性能研究

文献类型:学位论文

作者郑钦中
答辩日期2021-06-01
文献子类硕士
授予单位中国科学院过程工程研究所
导师陈运法
关键词铬氧化物,锰氧化物,催化氧化,二氧化硅,Vocs
英文摘要

近年来,挥发性有机化合物 (Volatile Organic Compounds, VOCs) 治理已经成为了大气污染防治工作的焦点。VOCs是造成雾霾天气主要因素之一,其本身对人体也有极大的危害。当人体吸入VOCs时会对神经系统、造血器官、肝、骨骼造成损伤,严重时会导致神经系统障碍、肝障碍甚至癌症等重症。利用催化氧化法降解VOCs是目前最为有效的方法之一。在催化剂选择方面,锰氧化物结构、氧化态丰富,在氧化还原性能方面表现出众,但热稳定性不佳。铬氧化物的热稳定性强,对有机物氧化的抗中毒性较好,但在催化活性较低。同时由MOF热解制备而来的金属氧化物展现出了与众不同的物理化学性质,在活性位点、比表面积方面展现出了极大的优势。因此本论文将探究由Cr的MOF——MIL-101(Cr)制备而来的Cr2O3的物理化学性能,以期改进其催化活性,同时将其与MnOx相复合,以将二者的优势相互补。最后掺杂包裹SiO2,进一步保护催化剂中高价铬物种的浓度,提高催化剂催化活性,并减少Cr的渗出。考察复合催化剂对VOCs (以苯为例) 的催化效率,探究催化剂的构效关系。主要成果如下:(1) MIL-101(Cr)前驱体制备Cr2O3以及对苯催化性能以硝酸铬、对苯二甲酸、氢氟酸为原料,通过水热法制备MIL-101(Cr),再经热解法得到Cr2O3,探究加入的HF的量对制备的MIL-101(Cr)比表面积的影响。结果表明,MIL-101(Cr)的制备过程中加入125 μL的40%HF可以制备得具有最高比表面积的样品 (3447 m2·g-1),有助于后续制备过程中负载物分散。以MIL-101(Cr)热解制备得到的Cr2O3具有理想的表面晶格氧浓度、比表面积 (89.3 m2·g-1)、孔体积 (0.549 cm3·g-1)。其对1000 ppm苯的催化性能 (T90% = 280 ℃,质量空速60000 mL·g-1·h-1) 要远远优越于市售Cr2O3,是较为理想的载体材料。(2) MnOx-Cr2O3催化剂制备及对苯的催化性能以MIL-101(Cr)、高锰酸钾、双氧水为原料,通过模板法先在MIL-101(Cr)上负载MnOx,再进行热解的方式制备得到MnOx-Cr2O3,探究热解温度以及MnOx负载量对催化剂性能的影响。结果表明,在负载MnOx的过程中骨架结构没有被破坏,MnOx负载进了MIL-101(Cr)的孔道内,分散良好。不同热解温度制备的催化剂性能对比结果证明,500 ℃相比400 ℃是更加合适的热解温度。制得的 MnOx-Cr2O3的比表面积、孔体积较大,具有丰富的氧空位,氧化性、迁移率良好,催化效果提升显著。其中MnOx负载量为20%的催化剂具有更高的表面晶格氧浓度,催化活性最好 (T90% = 265 ℃,1000 ppm苯,质量空速60000 mL·g-1·h-1),负载量为5%的催化剂有更高的Mn3+浓度以提升催化性能,催化活性与20%负载量催化剂相接近。同时考察了低苯浓度、高质量空速时催化剂的性能,结果表明在低苯浓度 (100 ppm) 下,MnOx的负载量在一定范围内对于催化剂的催化性能没有显著影响,但仍强于Cr2O3。(3) MnOx-SiO2-Cr2O3催化剂制备及对苯的催化性能以MIL-101(Cr)、高锰酸钾、双氧水、原硅酸四乙酯为原料,利用溶胶-凝胶法在MIL-101(Cr)上负载SiO2,再负载MnOx,最后在500 ℃下热解的方式制备MnOx-SiO2-Cr2O3。结果表明,SiO2的存在降低了催化剂的表面晶格氧浓度, SiO2-Cr2O3的催化活性表现不佳。负载MnOx之后,SiO2保护了Mn3+在热解过程中不被过度氧化,使得5%MnOx负载量的催化剂中Mn3+浓度增加,且SiO2的加入令高价铬物种的存在更加稳定,增强了催化剂的氧化性。同时SiO2有助于 MIL-101(Cr)热解过程中骨架不过分收缩,增加了催化剂的比表面积。其在 1000 ppm苯浓度,SV = 60000 mL·g-1·h-1的条件下T90% = 256 ℃,催化活性有明显提升。然而过量的MnOx会使得Cr2O3表面被大量MnOx覆盖,催化剂原有的结构被破坏,20%负载量的MnOx-SiO -Cr2O3催化活性发生了下降现象。

语种中文
源URL[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/60911]  
推荐引用方式
GB/T 7714
郑钦中. MnOx-Cr2O3催化剂制备及其对苯催化性能研究[D]. 中国科学院过程工程研究所. 2021.

入库方式: OAI收割

来源:过程工程研究所

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