用于氯乙烯废气高效催化氧化的Ce-Cu-W-O微球的新颖合成

冯晓珊 郑颖滨 林代峰 吴恩惠 罗永晋 游钰锋 薛珲 钱庆荣 陈庆华

引用本文: 冯晓珊,  郑颖滨,  林代峰,  吴恩惠,  罗永晋,  游钰锋,  薛珲,  钱庆荣,  陈庆华. 用于氯乙烯废气高效催化氧化的Ce-Cu-W-O微球的新颖合成[J]. 催化学报, 2020, 41(12): 1864-1872. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63653-1 shu
Citation:  Xiaoshan Feng,  Yingbin Zheng,  Daifeng Lin,  Enhui Wu,  Yongjin Luo,  Yufeng You,  Hun Xue,  Qingrong Qian,  Qinghua Chen. Novel synthetic route to Ce-Cu-W-O microspheres for efficient catalytic oxidation of vinyl chloride emissions[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(12): 1864-1872. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63653-1 shu

用于氯乙烯废气高效催化氧化的Ce-Cu-W-O微球的新颖合成

  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2019YFC1904500);国家自然科学基金(21875037);福建省新世纪人才计划.

摘要: 含氯挥发性有机物(CVOC)氯乙烯(VC)出现在工业生产聚氯乙烯(PVC)的尾气中,其具有高毒性和环境稳定性,若直接排放到大气中,会引起环境污染和威胁人类健康,因此有效的去除CVOC至关重要.在众多处理技术,催化氧化法具有反应温度低、能耗少、避免二次污染等优点,因而备受关注.用于CVOC催化氧化的催化剂包含贵金属和非贵金属催化剂,后者因为具有较低的成本和较好的抗氯中毒能力而广受研究.CVOC氧化催化剂通常需要具备酸性位和氧化还原位,酸性位用来吸附活化CVOC分子,而氧化还原位对应深度氧化能力.过渡金属氧化物CeO2具有良好的储氧能力和氧化还原性而被作为催化材料应用于CVOC的催化氧化,但深度氧化能力不佳.研究发现,复合Cu氧化物可以提高CeO2的氧化还原性,继而提升催化剂对CVOC的氧化能力,但酸性不足仍然限制了氯乙烯低温完全氧化的能力.为此,可以尝试在Ce-Cu复合氧化物中引入氧化钨来提高催化剂的酸性,但往往削弱了催化剂的氧化还原性,且酸性位大多分布在催化剂体相中,无法充分发挥其对VC分子的吸附活化.基于此,本文利用钨酸铵随水热时间延长而逐渐溶解并扩散W离子的这一特性,通过一步水热法设计合成了表面富集W物种和高分散精细Cu物种的Ce-Cu-W-O微球,其相对于Ce-Cu-O催化剂具有同时更好的酸性和氧化还原性,从而表现出对VC优异的深度氧化能力和热稳定性.
通过扫描电子显微镜,X射线能谱和X射线衍射分析,我们解析了Ce-Cu-W-O微球上不同元素组分在水热过程中的生长阶段和物相状态.NH3程序升温脱附分析验证了W物种的添加将提高Ce-Cu氧化物的酸性.H2程序升温还原分析表明,共沉淀方式引入W会降低Ce-Cu氧化物的氧化还原性,而水热一步法制备Ce-Cu-W-O微球的氧化还原性却得到了改善,归因细小晶粒尺寸CuO物种的生成.此外,拉曼光谱和XPS分析表明,HW-CeCuW催化剂具有更多的氧空位,有利于活性氧物种的迁移.因此,Ce-Cu-W-O微球表现出优异的低温氧化活性(250℃时的反应速率为2.01×10-7mol/(gcat·s))和较高的HCl选择性.同时,Ce-Cu-W-O微球经三次循环测试后性能仅略微下降,且在300℃下进行72h的耐久性实验中保持稳定的VC转化率和矿化率,表明其良好的热稳定性.本合成策略可以为高效的CVOC催化氧化的金属氧化物催化剂的设计和合成提供一些新思路.

English

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  • 收稿日期:  2020-03-03
  • 修回日期:  2020-04-12
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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