Co-Cr-O复合氧化物上丙烷低温完全氧化:结构效应、反应动力学和原位光谱研究

廖文敏 赵培培 岑丙横 贾爱平 鲁继青 罗孟飞

引用本文: 廖文敏,  赵培培,  岑丙横,  贾爱平,  鲁继青,  罗孟飞. Co-Cr-O复合氧化物上丙烷低温完全氧化:结构效应、反应动力学和原位光谱研究[J]. 催化学报, 2020, 41(3): 442-453. doi: S1872-2067(19)63480-7 shu
Citation:  Wen-Min Liao,  Pei-Pei Zhao,  Bing-Heng Cen,  Ai-Ping Jia,  Ji-Qing Lu,  Meng-Fei Luo. Co-Cr-O mixed oxides for low-temperature total oxidation of propane: Structural effects, kinetics, and spectroscopic investigation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(3): 442-453. doi: S1872-2067(19)63480-7 shu

Co-Cr-O复合氧化物上丙烷低温完全氧化:结构效应、反应动力学和原位光谱研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21773212,21872124).

摘要: 低碳烷烃是一类主要的挥发性有机污染物(VOCs),广泛生成于汽车尾气以及各种工业过程如煤处理、石油精炼以及天然气处理等.随着对环保要求的日益提高,对高效VOCs消除技术的需求愈加迫切.催化完全氧化(催化燃烧)技术具有起燃温度低、能耗低、净化效果好(无二次污染)等优点,因而极具应用潜力.对于低碳烷烃的催化燃烧,贵金属催化剂如Pt和Pd等具有很高的反应活性,但存在价格昂贵并易中毒等缺陷限制了其商业应用.另一方面,过渡金属氧化物由于其价格低廉、抗中毒性能优异及热稳定性好等特点受到广泛关注.Cu,Mn,Co,Fe等氧化物都具有良好的催化活性,其中Co氧化物由于其在丙烷催化燃烧中的高活性受到关注.而在Co氧化物中添加第二金属更能促进其反应性能.因此本文制备了一系列不同Co/Cr比例的复合氧化物用于丙烷催化燃烧,考察了催化剂结构和表面性质对其反应行为的影响,并通过反应动力学和原位光谱技术对反应机理进行了探索.
实验结果表明,随着Co/Cr比例的变化,催化剂的晶相结构、颗粒尺寸、比表面积、表面酸性以及氧化还原性等特性均发生了明显变化,进而影响了其反应行为.当Co/Cr比例为1/2时(1Co2Cr),催化剂为尖晶石结构并具有最大的比表面积.该催化剂上具有最高的反应活性(250℃时反应速率为1.38μmol g-1 s-1),可归因于其最高的表面酸性和低温氧化还原性能的协同作用.反应动力学结果表明,1Co2Cr催化剂上丙烷和氧气的反应级数分别为0.58 ±0.03和0.34 ±0.05,低于2Co1Cr(分别为0.77 ±0.02和0.98 ±0.16)和1Co5Cr(分别为0.66 ±0.05和1.30 ±0.11),表明1122Cr催化剂相比后二者具有更高的丙烷和氧气表面覆盖度,得益于其更高的表面酸性和更好的低温氧化还原性能.此外,原位红外光谱表明,在反应过程中,1Co2Cr催化剂上的主要表面物种为多齿碳酸盐,该物种在低温时(< 250℃)在表面积聚,但在高温时被分解.

English

    1. [1] T. Garcia, B. Solsona, D. M. Murphy, K. L. Antcliff, S. H. Taylor, J. Catal., 2005, 229, 1-11.

    2. [2] M. N. Taylor, W. Zhou, T. Garcia, B. Solsona, A. F. Carley, C. J. Kiely, S. H. Taylor, J. Catal., 2012, 285, 103-114.

    3. [3] L. Meng, J. J. Lin, Z. Y. Pu, L. F. Luo, A. P. Jia, W. X. Huang, M. F. Luo, J. Q. Lu, Appl. Catal. B:Environ., 2012, 119-120, 117-122.

    4. [4] Y. R. Liu, X. Li, W. M. Liao, A. P. Jia, Y. J. Wang, M. F. Luo, J. Q. Lu, ACS Catal., 2019, 9, 1472-1481.

    5. [5] J. Okal, M. Zawadzki, Appl. Catal. B:Environ., 2011, 105, 182-190.

    6. [6] O. Sanz, J. J. Delgado, P. Navarro, G. Arzamendi, L. M. Gandia, M. Montes, Appl. Catal. B:Environ., 2011, 110, 231-237.

    7. [7] Z. Hu, X. F. Liu, D. M. Meng, Y. Guo, Y. L. Guo, G. Z. Lu, ACS Catal., 2016, 6, 2265-2279.

    8. [8] M. S. Avila, C. I. Vignatti, C. R. Apesteguia, T. F. Garetto, Chem. Eng. J., 2014, 241, 52-59.

    9. [9] T. Garcia, S. Agouram, S.H. Taylor, D. Morgan, A. Dejoz, I. Vazquez, B. Solsona, Catal. Today, 2015, 254, 12-20.

    10. [10] X. Li, Y. R. Liu, W. M. Liao, A. P. Jia, Y. J. Wang, J. Q. Lu, M. F. Luo, Appl. Surf. Sci., 2019, 475, 524-531.

    11. [11] B. Solsona, T. Garcia, S. Agouram, G. J. Hutchings, S. H. Taylor, Appl. Catal. B:Environ., 2011, 101, 388-396.

    12. [12] J. Y. Luo, M. Meng, Y. Q. Zha, L. H. Guo, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 8694-8701.

    13. [13] M. Baldi, E. Finocchio, F. Milella, G. Busca, Appl. Catal. B:Envi-ron., 1998, 16, 43-51.

    14. [14] Z. Z. Zhu, G. Z. Lu, Z. G. Zhang, Y. Guo, Y. L. Guo, Y. Q. Wang, ACS Catal., 2013, 3, 1154-1164.

    15. [15] G. Salek, P. Alphonse, P. Dufour, S. Guillemet-Fritsch, C. Te-nailleau, Appl. Catal. B:Environ., 2014, 147, 1-7.

    16. [16] Z. Ren, Z. L. Wu, W. Q. Song, W. Xiao, Y. B. Guo, J. Ding, S. L. Suib, P. X. Gao, Appl. Catal. B:Environ., 2016, 180, 150-160.

    17. [17] Z. Hu, S. Qiu, Y. You, Y. Guo, Y. L. Guo, L. Wang, W. C. Zhan, G. Z. Lu, Appl. Catal. B:Environ., 2018, 225, 110-120.

    18. [18] R. P. Marin, S. A. Kondrat, R. K. Pinnell, T. E. Davies, S. Golunski, J. K. Bartley, G. J. Hutchings, S. H. Taylor, Appl. Catal. B:Environ., 2013, 140-141, 671-679.

    19. [19] B. Solsona, T. E. Davies, T. Garcia, I. Vazquez, A. Dejoz, S. H. Taylor, Appl. Catal. B:Environ., 2008, 84, 176-184.

    20. [20] B. Solsona, T. Garcia, R. Sanchis, M. D. Soriano, M. Moreno, E. Rodriguez-Castellon, S. Agouram, A. Dejoz, J. M. Lopez Nieto, Chem. Eng. J., 2016, 290, 273-281.

    21. [21] B. Puertolas, A. Smith, I. Vazquez, A. Dejoz, A. Moragues, T. Garcia, B. Solsona, Chem. Eng. J., 2013, 229, 547-558.

    22. [22] P. M. Heynderickx, J. W. Thybaut, H. Poelman, D. Poelman, G. B. Marin, J. Catal., 2010, 272, 109-120.

    23. [23] B. Faure, P. Alphonse, Appl. Catal. B:Environ., 2016, 180, 715-725.

    24. [24] J. Chen, X. Zhang, H. Arandiyan, Y. Peng, H. Chang, J. Li, Catal. To-day, 2013, 201, 12-18.

    25. [25] Y. Wang, A. P. Jia, M. F. Luo, J. Q. Lu, Appl. Catal. B:Environ., 2015, 165, 477-486.

    26. [26] J. D. Liu, T. T. Zhang, A. P. Jia, M. F. Luo, J. Q. Lu, Appl. Surf. Sci., 2016, 369, 58-66.

    27. [27] H. Luo, X. Wu, D. Weng, S. Liu, R. Ran, Rare Metals., 2017, 36, 1-9.

    28. [28] X. Wu, L. Zhang, D. Weng, S. Liu, Z. Si, J. Fan, J. Hazard. Mater., 2012, 225-226, 146-154.

    29. [29] T. F. Garetto, E. Rincon, C. R. Apesteguia, Appl. Catal. B:Environ., 2004, 48, 167-174.

    30. [30] P. Bracconi, L. C. Dufour, J. Phys. Chem., 1975, 79, 2400-2405.

    31. [31] W. Tang, W. Xiao, S. Wang, Z. Ren, J. Ding, P. X. Gao, Appl. Catal. B:Environ., 2018, 226, 585-595.

    32. [32] C. Suchomski, C. Reitz, K. Brezesinski, C. Tavares de Sousa, M. Rohne, K. Iimura, J. P. Esteves de Araujo, T. Brezesinki, Chem. Mater., 2011, 24, 155-165.

    33. [33] J. Chen, W. Shi, S. Yang, H. Arandiyan, D. Li, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 17400-17408.

    34. [34] R. H. Ma, P. J. Hu, L. Y. Jin, Y. J. Wang, J. Q. Lu, M. F. Luo, Catal. Today, 2011, 175, 598-602.

    35. [35] J. W. Luo, J. D. Song, W. Z. Jia, Z. Y. Pu, J. Q. Lu, M. F. Luo, Appl. Surf. Sci., 2018, 433, 904-913.

    36. [36] J. Chen, W. Shi, X. Zhang, h. Arandiyan, D. Li, J. Li, Environ. Sci. Technol., 2011, 45, 8491-8947.

    37. [37] C. W. Tang, C. C. Kuo, M. C. Kuo, C. B. Wang, S. H. Chien, Appl. Catal. A:Gen., 2006, 309, 37-43.

    38. [38] B. Bai, H. Arandiyan, J. Li, Appl. Catal. B:Environ., 2013, 142-143, 677-683.

    39. [39] W. Zhang, F. Wu, J. Li, Z. You, Appl. Surf. Sci., 2017, 411, 136-143.

    40. [40] C. A. Chagas, E. F. de Souza, R. L. Manfro, S. M. Landi, M. M. V. M. Souza, M. Schmal, Appl. Catal. B:Environ., 2016, 182, 257-265.

    41. [41] Y. Luo, J. Zuo, X. Feng, Q. Qian, Y. Zheng. D. Lin, B. Huang, Q. Chen, Chem. Eng. J., 2019, 357, 395-403.

    42. [42] X. Li, X. Li, X. Zeng, T. Zhu, Appl. Catal. A:Gen., 2019, 572, 61-70.

    43. [43] L. F. Liotta, G. Di Carlo, G. Pantaleo, A. M. Venezia, G. Deganello, Appl. Catal. B:Environ., 2006, 66, 217-227.

    44. [44] X. Wu, L. Zhang, D. Weng, S. Liu, Z. Si, J. Fan, J Hazard. Mater., 2012, 146, 225-226.

    45. [45] C. F. Windisch, K. F. Ferris, G. J. Exarhos, S. K. Sharma, Thin Solid Films, 2002, 420-421, 89-99.

    46. [46] D. C. Kim, S. K. Ihm, Environ. Sci. Technol., 2001, 35, 222-226.

    47. [47] T. T. Zhang, J. D. Song, J. X. Chen, A. P. Jia, M. F. Luo, J. Q. Lu. Appl. Surf. Sci., 2017, 425, 1074-1081.

    48. [48] M. P. Heynderickx, J. W. Thybaut, H. Poelman, D. Poelman, G. B. Marin, Appl. Catal. B:Environ., 2010, 95, 26-38.

    49. [49] A. Urdă, A. Herraïz, Á. Rédey, I. C. Marcu, Catal. Commun., 2009, 10, 1651-1655.

    50. [50] P. M. Heynderickx, J. W. Thybaut, H. Poelman, D. Poelman, G. B. Marin, Appl. Catal. B:Environ., 2009, 90, 295-306.

    51. [51] V. Balcaen, H. Poelman, D. Poelman, G. B. Marin, J. Catal., 2011, 283(1), 75-88.

    52. [52] O. Pozdnyakova, D. Teschner, A. Wootsch, J. Kröhnert, B. Stein-hauer, H. Sauer, L. Toth, F. C. Jentoft, A. Knop-Gericke, Z. Paál, R. Schlögl, J. Catal., 2006, 237(1), 17-28.

    53. [53] E. M. Köck, M. Kogler, T. Bielz, B. Klötzer, S. Penner, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 17666-17673.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  1063
  • HTML全文浏览量:  106
文章相关
  • 收稿日期:  2019-07-07
  • 修回日期:  2019-08-02
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