稀土双钙钛矿型铝系催化剂的制备及甲烷催化燃烧性能研究

【摘要】：天然气传统燃烧利用方式不仅造成严重的环境污染,而且能源利用效率低。催化燃烧技术作为一种环境友好且燃烧效率高的能源利用方式越来越受到重视。 本文采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了铝系La2BAlO6(B=Co、Ni、Mn)稀土双钙钛矿型催化剂,并与相应的稀土单钙钛矿型催化剂LaBO3(B=Co、Ni、Mn、Al)进行了比较,考察了焙烧温度对双钙钛矿型氧化物的影响,探讨了A位上Sr取代La对钙钛矿型复合氧化物催化剂的甲烷催化燃烧性能的影响。利用X射线粉末衍射(XRD)、H2-程序升温还原(H2-TPR)、比表面(BET)、扫描电镜(SEM)、傅立叶变换红外吸收光谱(FT-IR)和磁性测试等手段对样品进行了表征,以甲烷催化燃烧反应为探针考察了其催化活性,并与其物理化学性能进行了关联。 实验结果表明,在空气气氛中1100℃焙烧3h后,铝系La-B-Al-O(B=Co、Ni、Mn)催化剂均形成了单相的La2CoAlO6、La2NiAlO6和La2MnAlO6稀土双钙钛矿型化合物。其中La2NiAlO6表现出较好的甲烷催化燃烧活性,其起燃温度(T10)和完全转化温度(T90)分别为433.1℃和649.7℃, La2CoAlO6次之,La2MnAlO6:最差。从催化剂的H2-TPR谱图中发现,La2NiAlO6较好的甲烷催化燃烧活性与其较低的还原峰温有天。 同时,对稀土双钙钛矿型La-B-Al-O(B=Co、Ni、Mn)系列催化剂与相应的单钙钛矿型La-B-O(B=Co、Ni、Mn、Al)系列催化剂进行了系统的比较。活性测试结果表明,双钙钛矿系列催化剂活性均优于相应的单钙钛矿型催化剂,与相应的两种单钙钛矿型催化剂混合物相比,双钙钛矿仍表现出良好的催化活性,这说明在双钙钛矿催化剂La2BAlO6(B=Co、Ni、Mn)结构中,B位元素与Al元素之间存在着协同作用,而这种协同作用对甲烷催化燃烧反应是有利的。 在此基础上,重点考察了不同焙烧温度对La2NiAlO6结构及甲烷催化燃烧活性的影响。结果表明,当焙烧温度提高到800℃时,La-Ni-Al-O体系开始形成了双钙钛矿的结构,此后随着焙烧温度的升高,La2NiAlO6的晶型逐步完善。 最后,发现在A位上用少量Sr取代La有助于双钙钛矿型催化剂La2NiAlO6催化活性的提高,但掺杂过高反而会使其催化活性下降。双钙钛矿La1.90Sr0.10NiAlO6的活性最好,比表面积最大,其起燃温度(T10)和完全转化温度(T90)分别为398.7℃和622.9℃。 【关键词】：双钙钛矿 单钙钛矿 甲烷催化燃烧 溶胶-凝胶法 稀土
【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究背景12-15
• 1.1.1 选题意义12
• 1.1.2 天然气催化燃烧的意义12-13
• 1.1.3 甲烷燃烧催化剂的研究现状13-15
• 1.2 双钙钛矿型氧化物的研究概况15-17
• 1.2.1 双钙钛矿型氧化物的晶体结构15-17
• 1.2.2 钙钛矿结构中氧空位的形成17
• 1.3 本论文研究的主要内容及研究方案17-19
• 第二章 实验部分19-24
• 2.1 试剂及仪器19-20
• 2.2 催化剂的制备20-22
• 2.2.1 La_2BAlO_6(B=Co、Ni、Mn)系列催化剂的制备20-21
• 2.2.2 双钙钛矿型催化剂La_2NiAlO_6在不同焙烧温度下的制备21
• 2.2.3 双钙钛矿型催化剂La_(2-x)Sr_xNiAlO_6的制备21-22
• 2.3 催化剂的活性测试22
• 2.4 催化剂性质表征22-24
• 2.4.1 X射线衍射表征(XRD)22
• 2.4.2 程序升温还原(H2-TPR)22
• 2.4.3 比表面积和孔径的测定(BET)22-23
• 2.4.4 红外光谱测试(FT-IR)23
• 2.4.5 扫描电镜测试(SEM)23
• 2.4.6 磁性(Magnetism techniques)23
• 2.4.7 热重23
• 2.4.8 X-光电子能谱测试(XPS)23-24
• 第三章 La_2BAlO_6(B=Co、Ni、Mn)的制备及性能比较24-36
• 3.1 催化剂La_2BAlO_6(B=Co、Ni、Mn)的制备24
• 3.2 三种催化剂La_2BAlO_6(B=Co、Ni、Mn)的表征24
• 3.3 结果与讨论24-34
• 3.3.1 催化剂的物相分析24-26
• 3.3.2 催化剂比表面及孔结构分析26-28
• 3.3.3 催化剂的甲烷催化燃烧性能28-29
• 3.3.4 催化剂的H_2-TPR分析29-31
• 3.3.5催化剂的傅里叶红外吸收光谱分析(FT-IR)31-32
• 3.3.6 扫描电镜分析32-33
• 3.3.7 催化剂的磁性分析33-34
• 3.4 小结34-36
• 第四章 几种单、双钙钛矿型复合氧化物催化剂的制备及性能比较36-65
• 4.1 双钙钛矿La_2CoAlO_6与单钙钛矿LaCoO_3、LaAlO_3的制备及性能比较36-45
• 4.1.1 催化剂物相分析36-38
• 4.1.2 催化活性分析38-39
• 4.1.3 催化剂H_2-TPR分析39-41
• 4.1.4 催化剂SEM分析41-42
• 4.1.5 催化剂的FT-IR表征42-43
• 4.1.6 催化剂的磁性测量结果及分析43-44
• 4.1.7 小结44-45
• 4.2 双钙钛矿La_2NiAlO_6与单钙钛矿LaNiO_3、LaAlO_3的制备及性能比较45-57
• 4.2.1 催化剂物相分析45-46
• 4.2.2 催化活性分析46-48
• 4.2.3 催化剂H_2-TPR分析48-49
• 4.2.4 催化剂SEM分析49-50
• 4.2.5 催化剂的FT-IR表征50-51
• 4.2.6 催化剂的磁性测量结果及分析51-52
• 4.2.7 催化剂的XPS结果及分析52-56
• 4.2.8 小结56-57
• 4.3 双钙钛矿La_2MnAlO_6与单钙钛矿LaMnO_3、LaAlO_3的制备及性能比较57-65
• 4.3.1 催化剂物相分析57-58
• 4.3.2 催化活性分析58-60
• 4.3.3 催化剂H_2-TPR分析60-61
• 4.3.4 催化剂SEM分析61-62
• 4.3.5 催化剂的FT-IR表征62-63
• 4.3.6 催化剂的磁性测量结果及分析63-64
• 4.3.7 小结64-65
• 第五章 焙烧温度对双钙钛矿型催化剂La_2NiAlO_6的影响65-77
• 5.1 不同焙烧温度下催化剂的制备65
• 5.2 不同焙烧温度下制备的催化剂的表征65
• 5.3 结果与讨论65-76
• 5.3.1 La_2NiAlO_6前躯体的TG-DSC分析65-67
• 5.3.2 焙烧温度对催化剂物相的影响67-68
• 5.3.3 焙烧温度对催化剂比表面及孔结构的影响68-70
• 5.3.4 焙烧温度对催化剂活性的影响70-72
• 5.3.5 焙烧温度对催化剂H_2-TPR的影响72-73
• 5.3.6 焙烧温度对催化剂傅里叶红外吸收光谱的影响73-74
• 5.3.7 焙烧温度对催化剂形貌的影响74-76
• 5.4 小结76-77
• 第六章 A位Sr取代对La_2NiAlO_6结构和性能的影响研究77-86
• 6.1 La_(2-x)Sr_xNiAlO_6(x=0,0.05,0.1,0.2,0.3)催化剂的制备77
• 6.2 La_(2-x)Sr_xNiAlO_6(x=0,0.05,0.1,0.2,0.3)催化剂的表征77-78
• 6.3 结果与讨论78-85
• 6.3.1 催化剂的物相分析78-79
• 6.3.2 催化剂比表面及孔结构分析79-81
• 6.3.3 催化剂的活性分析81-83
• 6.3.4 催化剂的FT-IR分析83-84
• 6.3.5 催化剂的SEM分析84-85
• 6.4 小结85-86
• 参考文献86-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文91-92
• 致谢92

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