基于机械化学的高比表面积CoxMn1-xOy催化剂合成及其VOCs燃烧研究

鲍佳锋 陈皓 杨是赜 张鹏飞

引用本文: 鲍佳锋,  陈皓,  杨是赜,  张鹏飞. 基于机械化学的高比表面积CoxMn1-xOy催化剂合成及其VOCs燃烧研究[J]. 催化学报, 2020, 41(12): 1846-1854. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63635-X shu
Citation:  Jiafeng Bao,  Hao Chen,  Shize Yang,  Pengfei Zhang. Mechanochemical redox-based synthesis of highly porous CoxMn1-xOy catalysts for total oxidation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(12): 1846-1854. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63635-X shu

基于机械化学的高比表面积CoxMn1-xOy催化剂合成及其VOCs燃烧研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21776174);海洋工程国家重点实验室开放基金(1809);上海交通大学重点前瞻布局基金(2019QYB06);中船重工集团委托项目;浙江新安化工集团委托项目.

摘要: 碳氢化合物的催化燃烧在控制挥发性有机化合物(VOCs)和汽车尾气方面非常重要.目前,商用催化剂通常是燃烧温度低且催化剂寿命长的贵金属基材料.相反,过渡金属氧化物催化剂价格便宜,而它们的活性和稳定性却较低,阻碍了它们的商业化.实际上,具有多重氧化还原循环的钴锰氧化物(CoMnOx)在烃类的催化氧化中有不错的性能.在影响燃烧催化剂性能的参数中,孔隙率和表面活性氧物种是关键,目前已经有多种钴锰氧化物的合成方法.
CoxMn1-xOy传统的合成方法是共沉淀法,溶胶-凝胶法和溶液氧化还原法等湿化学的工艺.从合成的角度来看,仍存在一些改善的空间.例如,溶液法合成过程中,金属前驱体必须是液体或可溶性固体原料;而且需要几个操作单元,包括金属前体的溶解和液-液混合.同时,钴锰物种的良好分散是合成高效催化剂的关键.由于液体环境下Co2+和Mn2+离子具有不同的平衡常数,利用共沉淀方法合成时,经常观察到钴和锰氧化物的局部分离.因此,开发一种有效的合成CoxMn1-xOy催化剂的方法非常重要.
最近,机械化学重新引起了人们的兴趣,已有大量文献报道用来合成多孔材料.本文提出了一种通过球磨法简单合成CoxMn1-xOy催化剂的机械化学氧化还原工艺.众所周知,在溶液中钴(II)盐与KMnO4进行氧化还原反应可以合成CoxMn1-xOy催化剂,但反应的进行程度取决于KMnO4浓度,这可能会影响CoxMn1-xOy内高价物种和孔道的形成.出乎意料的是,采用机械化学氧化还原法合成的CoxMn1-xOy催化剂的表面积高达479m2 g-1.
在丙烯的催化燃烧反应中,使用机械化学氧化还原法合成的CoxMn1-xOy时,丙烯在200℃时被完全氧化,远低于共沉淀法(450℃)和溶胶-凝胶法(400℃)合成的.此外,该催化剂还具有良好的抗水性(4.2% H2O,>65h)和抗硫性(20-100ppm SO2).同时,该催化剂可以扩展到其他VOCs底物的低温催化燃烧,如一氧化碳、甲烷、乙醇、丙酮、甲苯.此外,机械化学氧化还原法可放大制备催化剂.目前,实验室已经完成公斤级制备,有望替代传统方法.

English

    1. [1] H. Xiong, M. H. Wiebenga, C. Carrillo, J. R. Gaudet, H. N. Pham, D. Kunwar, S. H. Oh, G. Qi, C. H. Kim, A. K. Datye, Appl. Catal. B, 2018, 236, 436-444.

    2. [2] H. Wang, Z. Huang, Z. Jiang, Z. Jiang, Y. Zhang, Z. Zhang, W. Shangguan, ACS Catal., 2018, 8, 3164-3180.

    3. [3] Z. Sihaib, F. Puleo, J. M. Garcia-Vargas, L. Retailleau, C. Descorme, L. F. Liotta, J. L. Valverde, S. Gil, A. Giroir-Fendler, Appl. Catal. B, 2017, 209, 689-700.

    4. [4] H. Wang, C. Chen, Y. Zhang, L. Peng, S. Ma, T. Yang, H. Guo, Z. Zhang, D. S. Su, J. Zhang, Nat. Commun., 2015, 6, 7181.

    5. [5] C. Yang, G. Miao, Y. Pi, Q. Xia, J. Wu, Z. Li, J. Xiao, Chem. Eng. J., 2019, 370, 1128-1153.

    6. [6] O. R. Inderwildi, S. J. Jenkins, D. A. King, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 5253-5255.

    7. [7] B. Yan, S. Huang, Q. Meng, Y. Shen, S. Wang, X. Ma, AlChE J., 2013, 59, 3797-3805.

    8. [8] W. Wu, H. Jiang, Acc. Chem. Res., 2012, 45, 1736-1748.

    9. [9] W. Lang, P. Laing, Y. Cheng, C. Hubbard, M. P. Harold, Appl. Catal. B, 2017, 218, 430-442.

    10. [10] P. S. Dhillon, M. P. Harold, D. Wang, A. Kumar, S. Joshi, Catal. Today, 2019, 320, 20-29.

    11. [11] C. H. Wu, C. Liu, D. Su, H. L. Xin, H.-T. Fang, B. Eren, S. Zhang, C. B. Murray, M. B. Salmeron, Nat. Catal., 2018, 2, 78-85.

    12. [12] A. P. Unnarkat, T. Sridhar, H. Wang, S. Mahajani, A. K. Suresh, AIChE J., 2016, 62, 4384-4402.

    13. [13] X. Chen, X. Chen, S. Cai, J. Chen, W. Xu, H. Jia, J. Chen, Chem. Eng. J., 2018, 334, 768-779.

    14. [14] Z. X. Ding, X. F. Chen, M. Antonietti, X. C. Wang, ChemSusChem, 2011, 4, 274-281.

    15. [15] A. Trovarelli, J. Llorca, ACS Catal., 2017, 7, 4716-4735.

    16. [16] S. Todorova, J. L. Blin, A. Naydenov, B. Lebeau, H. Kolev, P. Gaudin, A. Dotzeva, R. Velinova, D. Filkova, I. Ivanova, L. Vidal, L. Michelin, L. Josien, K. Tenchev, Catal. Today, 2019, in press.

    17. [17] J. G. Sung, T. Kim, H. K. Jung, H. Kim, J. S. Chung, AIChE J., 2018, 64, 940-949.

    18. [18] X. Xie, Y. Li, Z. Q. Liu, M. Haruta, W. Shen, Nature, 2009, 458, 746-749.

    19. [19] C. Dong, Z. Qu, Y. Qin, Q. Fu, H. Sun, X. Duan, ACS Catal., 2019, 9, 6698-6710.

    20. [20] Z. P. Hao, L. B. Fen, G. Q. Lu, J. J. Liu, L. D. An, H. L. Wang, Appl. Catal. A, 2001, 213, 173-177.

    21. [21] A. Zhou, J. Wang, H. Wang, H. Li, J. Wang, M. Shen, J. Rare Earths, 2018, 36, 257-264.

    22. [22] B. Neumann, T. M. Gesing, A. Rednyk, V. Matolin, A. E. Gash, M. Baumer, J. Colloid Interface Sci., 2014, 422, 71-78.

    23. [23] A. A. Javad-Zadeh, A. A. Mejidov, B. Yalchin, S. A. Agaeva, P. A. Fatullaeva, M. G. Abbasov, Chem. Probl., 2017, 59-66.

    24. [24] X. Hu, L. Huang, J. Zhang, H. Li, K. Zha, L. Shi, D. Zhang, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 2952-2963.

    25. [25] C.-W. Tang, C.-B. Wang, S.-H. Chien, Thermochim. Acta, 2008, 473, 68-73.

    26. [26] D. Feng, T.-N. Gao, M. Fan, A. Li, K. Li, T. Wang, Q. Huo, Z.-A. Qiao, NPG Asia Mater., 2018, 10, 800-809.

    27. [27] V. Subramanian, H. Zhu, R. Vajtai, P. M. Ajayan, B. Wei, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 20207-20214.

    28. [28] H. Hu, S. Cai, H. Li, L. Huang, L. Shi, D. Zhang, ACS Catal., 2015, 5, 6069-6077.

    29. [29] S. C. Kim, W. G. Shim, Appl. Catal. B, 2010, 98, 180-185.

    30. [30] W. B. Li, J. X. Wang, H. Gong, Catal. Today, 2009, 148, 81-87.

    31. [31] M. V. Twigg, Catal. Today, 2006, 117, 407-418.

    32. [32] A. J. Kean, R. A. Harley, D. Littlejohn, G. R. Kendall, Environ. Sci. Technol., 2000, 34, 3535-3539.

    33. [33] K. Na, J. Environ. Manag., 2006, 81, 392-398.

    34. [34] I. Kalaitzidou, T. Cavoué, A. Boreave, L. Burel, F. Gaillard, L. Retailleau-Mevel, E. A. Baranova, M. Rieu, J. P. Viricelle, D. Horwat, P. Vernoux, Catal. Commun., 2018, 104, 28-31.

    35. [35] D. Hirabayashi, T. Yoshikawa, K. Mochizuki, K. Suzuki, Y. Sakai, Catal. Lett., 2006, 110, 155-160.

    36. [36] M. S. Avila, C. I. Vignatti, C. R. Apesteguía, T. F. Garetto, Chem. Eng. J., 2014, 241, 52-59.

    37. [37] D. Pagani, D. Livio, A. Donazzi, M. Maestri, A. Beretta, G. Groppi, P. Forzatti, Ind. Eng. Chem. Res., 2013, 53, 1804-1815.

    38. [38] M. Skaf, S. Aouad, S. Hany, R. Cousin, E. Abi-Aad, A. Aboukaïs, J. Catal., 2014, 320, 137-146.

    39. [39] D. Chatterjee, O. Deutschmann, J. Warnatz, Faraday Discuss., 2001, 119, 371-384.

    40. [40] Y. Osaka, T. Kito, N. Kobayashi, S. Kurahara, H. Huang, H. Yuan, Z. He, Sep. Purif. Technol., 2015, 150, 80-85.

    41. [41] I. A. Reşitoğlu, K. Altinişik, A. Keskin, Clean Technol. Environ. Policy, 2014, 17, 15-27.

    42. [42] P. Karjalainen, L. Pirjola, J. Heikkilä, T. Lähde, T. Tzamkiozis, L. Ntziachristos, J. Keskinen, T. Rönkkö, Atmos. Environ., 2014, 97, 262-270.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  40
  • 文章访问数:  2803
  • HTML全文浏览量:  287
文章相关
  • 收稿日期:  2020-03-21
  • 修回日期:  2020-04-23
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