AgAuPd/meso-Co3O4高效甲醇氧化催化剂

杨军 刘雨溪 邓积光 赵星天 张昆锋 韩卓 戴洪兴

引用本文: 杨军,  刘雨溪,  邓积光,  赵星天,  张昆锋,  韩卓,  戴洪兴. AgAuPd/meso-Co3O4高效甲醇氧化催化剂[J]. 催化学报, 2019, 40(6): 837-848. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63205-X shu
Citation:  Jun Yang,  Yuxi Liu,  Jiguang Deng,  Xingtian Zhao,  Kunfeng Zhang,  Zhuo Han,  Hongxing Dai. AgAuPd/meso-Co3O4:High-performance catalysts for methanol oxidation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(6): 837-848. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63205-X shu

AgAuPd/meso-Co3O4高效甲醇氧化催化剂

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21677004,21876006,21622701);国家高技术研究发展计划(863计划,2015AA034603).

摘要: 甲醇是重要的化工原料和溶剂,也是一种典型的挥发性有机物(VOCs),其排放会对人体和大气环境造成危害.迄今为止,最有效的消除低浓度VOCs的方法是催化氧化.该方法具有VOCs去除效率高、起燃温度低、设备简单且无二次污染等优点.众所周知,负载贵金属催化剂对VOCs氧化显示良好的低温活性,但反应气流中的水分会降低贵金属的催化性能.研究表明,与单一贵金属催化剂相比,贵金属合金催化剂不仅具有高的催化活性,而且还具有良好的水热稳定性.尽管已有文献报道了二元贵金属合金催化剂对VOCs的催化氧化,然而VOCs在三元贵金属合金上催化氧化的研究则较少.本文采用三维有序介孔结构的二氧化硅(KIT-6)硬模板法和聚乙烯醇保护的硼氢化钠还原法制备了0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4,0.84 wt% Ag0.54Au2.29Pd/meso-Co3O4和0.93 wt% Ag0.51Au0.65Pd/meso-Co3O4三元贵金属合金催化剂以及0.28 wt% Ag/meso-Co3O4,0.35 wt% Au/meso-Co3O4和0.33 wt% Pd/meso-Co3O4单一贵金属催化剂.利用电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高角环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、X射线光电子能谱(XPS)和氢气-程序升温还原(H2-TPR)技术表征了催化剂的物化性质.催化剂的活性评价在固定床石英微型反应器中进行,反应气组成为0.1%甲醇+氧气+氮气(平衡气),甲醇/氧气摩尔比为1/200,空速约为80000mL g–1 h–1,利用气相色谱检测反应物和产物的浓度.
广角度XRD结果表明,meso-Co3O4具有立方晶相结构.XRD谱中未检测到Ag,Au和Pd的衍射峰,系贵金属负载量低且均匀分散在载体表面所致.贵金属粒径为2.8-4.5nm.小角度XRD和TEM结果表明,meso-Co3O4具有有序介孔结构.从HAADF-STEM照片可以观察到,0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4中的贵金属形成了Ag-Au-Pd合金.BET结果显示,所制得催化剂的比表面积为115-120m2/g,孔径为5.7-6.0nm,孔容为0.15-0.16cm3/g.XPS结果表明,贵金属与载体之间较强的相互作用使0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4具有最低的表面Co3+/Co2+摩尔比,从而使该催化剂表面拥有更多的氧空位,有利于吸附和活化氧气,提高表面吸附氧浓度,从而提高催化活性.0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4具有最低的还原温度(即最好的低温还原性),有利于催化活性的提高.因此,高分散的Ag0.75Au1.14Pd纳米粒子、高的吸附氧浓度、优良的低温还原性以及载体与Ag0.75Au1.14Pd粒子之间强的相互作用是0.68Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4具有最高催化活性(当空速为80000mL g–1 h–1时,T50%=100℃和T90%=112℃)的主要原因.在反应温度为110℃和空速为80000mL g–1 h–1的条件下,向反应体系中分别引入3.0 vol%水蒸气和5.0 vol%二氧化碳,甲醇转化率分别下降6.0%和7.0%;当切断水和二氧化碳后,甲醇转化率均恢复到在无水和二氧化碳时的数值.因此,水和二氧化碳对该催化剂的失活是可逆的.换句话说,0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4具有优良的水热稳定性和抗二氧化碳中毒能力.

English

    1. [1] L. A. Calzada, S. E. Collins, C. W. Han, V. Ortalan, R. Zanella, Appl. Catal. B, 2017, 207, 79-92.

    2. [2] N. G. Patel, P. D. Patel, V. S. Vaishnav, Sens. Actuat. B, 2003, 96, 180-189.

    3. [3] A. Mirzaei, S. G. Leonardi, G. Neri, Ceram. Int., 2016, 42, 15119-15141.

    4. [4] W. L. Wang, Q. J. Meng, Y. H. Xue, X. L. Weng, P. F. Sun, Z. B. Wu, J. Catal., 2018, 366, 213-222.

    5. [5] S. C. Kim, W. G. Shim, Appl. Catal. B, 2009, 92, 429-436.

    6. [6] F. J. Maldonado-Hódar, C. Moreno-Castilla, A. F. Pérez-Cadenas, Appl. Catal. B, 2004, 54, 217-224.

    7. [7] A. M. Sica, J. H. Z. D. Santos, I. M. Baibich, C. E. Gigola, J. Mol. Catal. A, 1999, 137, 287-295.

    8. [8] K. Persson, L. D. Pfefferle, W. Schwartz, A. Ersson, S. G. Jaras, Appl. Catal. B, 2007, 74, 242-250.

    9. [9] J. Q. Jiao, Y. C. Wei, Y. L. Zhao, Z. Zhao, A. J. Duan, J. Liu, Y. Y. Pang, J. M. Li, G. Y. Jiang, Y. J. Wang, Appl. Catal. B, 2017, 209, 228-239.

    10. [10] Y. C. Wei, X. X. Wu, Y. L. Zhao, L. Wang, Z. Zhao, X. T. Huang, J. Liu, J. M. Li, Appl. Catal. B, 2018, 236, 445-457.

    11. [11] J. Xiong, Q. Q. Wu, X. L. Mei, J. Liu, Y. C. Wei, Z. Zhao, D. Wu, J. M. Li, ACS Catal., 2018, 8, 7915-7930.

    12. [12] Z. W. Wang, Y. X. Liu, T. Yang, J. G. Deng, S. H. Xie, H. X. Dai, Chin. J. Catal., 2017, 38, 207-216.

    13. [13] S. H. Xie, J. G. Deng, S. M. Zang, H. G. Yang, G. S. Guo, H. Arandiyan, H. X. Dai, J. Catal., 2015, 322, 38-48.

    14. [14] Y. Y. Guo, S. Zhang, J. Zhu, L. Q. Su, X. M. Xie, Z. Li, Appl. Surf. Sci., 2017, 416, 358-364.

    15. [15] S. H. Xie, Y. X. Liu, J. G. Deng, S. M. Zang, Z. H. Zhang, H. Arandiyan, H. X. Dai, Environ. Sci. Technol., 2017, 51, 2271-2279.

    16. [16] H. J. Sedjame, C. Fontaine, G. Lafaye, J. Barbier Jr., Appl. Catal. B, 2014, 144, 233-242.

    17. [17] B. Rivas, J. I. Gutierrez-Ortiz, R. Lopez-Fonseca, J. R. Gonzalez-Velasco, Appl. Catal. A, 2006, 314, 54-63.

    18. [18] K. Okumura, T. Kobayashi, H. Tanaka, M. Niwa, Appl. Catal. B, 2003, 44, 325-331.

    19. [19] Y. Ren, Z. Ma, P. G. Bruce, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 4909-4927.

    20. [20] D. Gu, F. Schüth, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 313-344.

    21. [21] Y. F. Wang, C. B. Zhang, F. D. Liu, H. He, Appl. Catal. B, 2013, 142-143, 72-79.

    22. [22] X. M. Zhang, Y. Q. Deng, P. F. Tian, H. H. Shang, J. Xu, Y. F. Han, Appl. Catal. B, 2016, 191, 179-191.

    23. [23] B. Y. Bai, J. H. Li, J. M. Hao, Appl. Catal. B, 2015, 164, 241-250.

    24. [24] Q. Liu, L. C. Wang, M. Chen, Y. Cao, H. Y. He, K. N. Fan, J. Catal., 2009, 263, 104-113.

    25. [25] Z. X. Wu, J. G. Deng, Y. X. Liu, S. H. Xie, Y. Jiang, X. T. Zhao, J. Yang, H. Arandiyan, G. S. Guo, H. X. Dai, J. Catal., 2015, 332, 13-24.

    26. [26] Y. X. Liu, H. X. Dai, J. G. Deng, S. H. Xie, H. G. Yang, W. Tan, W. Han, Y. Jiang, G. S. Guo, J. Catal., 2014, 309, 408-418.

    27. [27] Z. X. Wu, J. G. Deng, S. H. Xie, H. G. Yang, X. T. Zhao, K. F. Zhang, H. X. Lin, H. X. Dai, G. S. Guo, Microporous Mesoporous Mater., 2016, 224, 311-322.

    28. [28] P. Xu, Z. X. Wu, J. G. Deng, Y. X. Liu, S. H. Xie, G. S. Guo, H. X. Dai, Chin. J. Catal., 2017, 38, 92-105.

    29. [29] Y. S. Xia, H. X. Dai, H. Y. Jiang, J. G. Deng, H. He, C. T. Au, Environ. Sci. Technol., 2009, 43, 8355-8360.

    30. [30] Y. S. Xia, H. X. Dai, L. Zhang, J. G. Deng, H. He, C. T. Au, Appl. Catal. B, 2010, 100, 229-237.

    31. [31] F. Kleitz, S. H. Choi, R. Ryoo, Chem. Commun., 2003, 2136-2137.

    32. [32] X. C. Zhang, J. Wang, L. C. Xuan, Z. B. Zhu, Q. J. Pan, K. Y. Shi, G. Zhang, J. Alloys Compd., 2018, 768, 190-197.

    33. [33] S. Dubey, J. Kumar, A. Kumar, Y. C. Sharma, Adv. Powder Technol., 2018, 29, 2583-2590.

    34. [34] S. R. Naik, A. V. Salker, S. M. Yusuf, S. S. Meena, J. Alloys Compd., 2013, 566, 54-61.

    35. [35] C. V. Schenck, J. G. Dillard, J. W. Murray, J. Colloid Interface Sci., 1983, 95, 398-409.

    36. [36] G. J. Zhang, Y. E. Wang, X. Wang, Y. Chen, Y. M. Zhou, Y. W. Tang, L. D. Lu, J. C. Bao, T. H. Lu, Appl. Catal. B, 2011, 102, 614-619.

    37. [37] G. Corro, E. Vidal, S. Cebada, U. Pal, F. Banuelos, D. Vargas, E. Guilleminot, Appl. Catal. B, 2017, 216, 1-10.

    38. [38] X. She, M. Flytzani-Stephanopoulos, J. Catal., 2006, 237, 79-93.

    39. [39] A. K. Sinha, K. Suzuki, M. Takahara, H. Azuma, T. Nonaka, K. Fukumoto, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 2891-2894.

    40. [40] K. R. Priolkar, P. Bera, P. R. Sarode, M. S. Hegde, S. Emura, R. Kumashiro, N. P. Lalla, Chem. Mater., 2002, 14, 2120-2128.

    41. [41] H. Gabasch, K. Hayek, B. Klo1tzer, W. Unterberger, E. Kleimenov, D. Teschner, S. Zafeiratos, M. Halvecker, A. Knop-Gericke, R. Schlolg, B. Aszalos-Kiss, D. Zemlyanov, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 7957-7962.

    42. [42] A. R. Belambe, R. Oukaci, J. G. Goodwin Jr., J. Catal., 1997, 166, 8-15.

    43. [43] B. Solsona, T. E. Davies, T. Garcia, I. Vazquez, A. Dejoz, S. H. Taylor, Appl. Catal. B, 2008, 84, 176-184.

    44. [44] K. D. Chen, S. B. Xie, A. T. Bell, E. Iglesia, J. Catal., 2001, 198, 232-242.

    45. [45] H. X. Dai, A. T. Bell, E. Iglesia, J. Catal., 2004, 221, 491-499.

    46. [46] Y. S. Xia, H. X. Dai, H. Y. Jiang, L. Zhang, J. G. Deng, Y. X. Liu, J. Hazard. Mater., 2011, 186, 84-91.

    47. [47] Y. S. Xia, H. X. Dai, H. Y. Jiang, L. Zhang, Catal. Commun., 2010, 11, 1171-1175.

    48. [48] Y. X. Liu, H. X. Dai, J. G. Deng, Y. C. Du, X. W. Li, Z. X. Zhao, Y. Wang, B. Z. Gao, H. G. Yang, Appl. Catal. B, 2013, 140-141, 493-505.

    49. [49] N. Shimoda, S. Umehara, M. Kasahara, T. Hongoa, A. Yamazaki, S. Satokaw, Appl. Catal. A, 2015, 507, 56-64.

    50. [50] Y. J. Luo, Y. H. Xiao, G. H. Cai, Y. Zheng, K. M. Wei, Fuel, 2012, 93, 533-538.

    51. [51] S. H. Xie, H. X. Dai, J. G. Deng, Y. X. Liu, H. G. Yang, Y. Jiang, W. Tan, A. S. Ao, G. S. Guo, Nanoscale, 2013, 5, 11207-11219.

    52. [52] S. H. Xie, Y. X. Liu, J. G. Deng, X. T. Zhao, J. Yang, K. F. Zhang, Z. Han, H. Arandiyan, H. X. Dai, Appl. Catal. B, 2017, 206, 221-232.

    53. [53] X. Y. Li, Y. X. Liu, J. G. Deng, S. H. Xie, X. T. Zhao, Y. Zhang, K. F. Zhang, H. Arandiyan, G. S. Guo, H. X. Dai, Appl. Surf. Sci., 2017, 403, 590-600.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  1771
  • HTML全文浏览量:  127
文章相关
  • 收稿日期:  2018-10-27
  • 修回日期:  2018-11-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章