三维有序大孔钙钛矿型La1–xKxNiO3催化剂提高炭烟催化燃烧活性:K取代的作用

梅雪垒 熊靖 韦岳长 王楚君 吴强强 赵震 刘坚

引用本文: 梅雪垒,  熊靖,  韦岳长,  王楚君,  吴强强,  赵震,  刘坚. 三维有序大孔钙钛矿型La1–xKxNiO3催化剂提高炭烟催化燃烧活性:K取代的作用[J]. 催化学报, 2019, 40(5): 722-732. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63269-9 shu
Citation:  Xuelei Mei,  Jing Xiong,  Yuechang Wei,  Chujun Wang,  Qiangqiang Wu,  Zhen Zhao,  Jian Liu. Three-dimensional ordered macroporous perovskite-type La1-xKxNiO3 catalysts with enhanced catalytic activity for soot combustion: the Effect of K-substitution[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(5): 722-732. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63269-9 shu

三维有序大孔钙钛矿型La1–xKxNiO3催化剂提高炭烟催化燃烧活性:K取代的作用

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21673142);移动源排放控制技术国家工程实验室(NELMS2017A05);中国石油创新基金(2018D–5007–0505);中国石油大学(北京)科学基金(242017QNXZ02,2462018BJC005).

摘要: 催化炭烟燃烧的本质是典型的固体(炭烟颗粒)-固体(催化剂)-气体(O2和NO)三相深度氧化反应.因此炭烟燃烧性能不仅与催化剂的本征活性有关,同时也与催化剂和炭烟颗粒之间的接触效率有关.钙钛矿型(ABO3)氧化物具有高热稳定性和高催化活性,在钙钛矿型氧化物中A位通常为稀土元素,B位通常为过渡金属元素,钙钛矿的A,B位离子都可以被半径相近的其他元素部分取代,而且物相结构不发生变化.我们组前期研究发现,用碱金属部分取代钙钛矿型氧化物中的A位,可以有效提高其催化活性.同时发现三维有序大孔(3DOM)结构可以有效的增加催化剂与碳烟颗粒的接触效率.基于此,本文利用胶体晶体模板法成功制备了3DOM La1-xKxNiO3钙钛矿型催化剂,并采用SEM,TEM,HRTEM,Elements mapping,XRD,Raman,XPS和H2-TPR等手段对其物理化学性能进行了表征,进一步探讨K取代对3DOM La1-xKxNiO3催化剂炭烟催化燃烧性能的影响.
SEM和TEM照片显示,制备的3DOM La1-xKxNiO3催化剂孔道三维有序贯通,孔径均一,孔壁厚度均匀,每个大孔下面展示清晰可见的小孔窗,大孔孔径大约为260 nm,这有利于炭烟颗粒在气流的协助下进入催化剂的孔道之内,从而提高炭烟与催化剂之间的接触效率.3DOM结构催化剂具有大的比表面积(24-27 m2g-1),且K的取代对其比表面积无太大的影响.XRD和Raman谱证实了催化剂的钙钛矿结构,且K能够取代La并进入钙钛矿氧化物的晶格中.XPS和H2-TPR表征发现,K取代La之后,B位的Ni元素的价态有所提升,表面活性氧物种密度增加,其中3DOM La0.95K0.05NiO3催化剂具有最高的Ni4+的含量和活性氧含量.3DOM La1-xKxNiO3催化剂展示了高的炭烟燃烧催化性能,且K的取代能够明显促进其催化炭烟燃烧活性.在松散接触条件下,催化剂炭烟催化燃烧活性的顺序为:3DOM La0.95K0.05NiO3 > 3DOM La0.90K0.10NiO3> 3DOM La0.80K0.20NiO3 > 3DOM La0.99K0.01NiO3> 3DOM LaNiO3 > particle-type LaNiO3.其中,3DOM La0.95K0.05NiO3催化剂展示了最高的炭烟燃烧催化性能,其T50SCO2值分别为338℃和98.2%,这与Pt基催化剂活性相当.另外,对炭烟催化燃烧性能的影响因素进行了探讨:一方面,三维有序大孔结构有效提高催化剂活性;另一方面,K元素的取代提高了Ni的价态,从而提升了表面活性氧物种数量,这对炭烟催化燃烧起着至关重要的作用.

English

    1. [1] J. Oi Uchisawa, A. Obuchi, Z. Zhao, S. Kushiyama, Appl. Catal. B, 1998, 18, 183-187.

    2. [2] G. Zou, Z. Fan, X. Yao, Y. Zhang, Z. Zhang, M. Chen, W. Shangguan, Chin. J. Catal., 2017, 38, 564-572.

    3. [3] S. M. Sun, W. L. Chu, W. S. Yang, Chin. J. Catal., 2009, 30, 685-689.

    4. [4] Y. Wei, Q. Wu, J. Xiong, J. Liu, Z. Zhao, Chin. J. Catal., 2018, 39, 606-612.

    5. [5] L. Cheng, Y. Men, J. G. Wang, H. Wang, W. An, Y. Q. Wang, Z. C. Duan, J. Liu, Appl. Catal. B, 2017, 204, 374-384.

    6. [6] Y. Wei, J. Liu, Z. Zhao, A. Duan, G. Jiang, J. Catal., 2012, 287, 13-29.

    7. [7] Y. Wei, J. Liu, Z. Zhao, Y. Chen, C. Xu, A. Duan, G. Jiang, H. He, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 2326-2329.

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

    9. [9] Y. Wei, Z. Zhao, J. Liu, C. Xu, G. Jiang, A. Duan, Small, 2013, 9, 3957-3763.

    10. [10] Z. Zhang, D. Han, S. Wei, Y. Zhang, J. Catal., 2010, 276, 16-23.

    11. [11] S. Liu, X. Wu, Y. Lin, M. Li, D. Weng, Chin. J. Catal., 2014, 35, 407-415.

    12. [12] Y. Wei, J. Jiao, X. Zhang, B. Jin, Z. Zhao, J. Xiong, Y. Li, J. Liu, J. Li, Nanoscale, 2017, 9, 4558-4571.

    13. [13] M. Sun, L. Wang, B. Feng, Z. Zhang, G. Lu, Y. Guo, Catal. Today, 2011, 175, 100-105.

    14. [14] C. Cao, X. Li, Y. Zha, J. Zhang, T. Hu, M. Meng, Nanoscale, 2016, 11, 5857-5864.

    15. [15] H. Zhang, J. Wang, Y. Cao, Y. Wang, M. Gong, Y. Chen, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1333-1341.

    16. [16] Y. Liu, H. Dai, Y. Du, J. Deng, L. Zhang, Z. Zhao, C. T. Au, J. Catal., 2012, 287, 149-160.

    17. [17] N. Feng, J. Meng, Y. Wu, C. Chen, L. Wang, L. Gao, H. Wan, G. Guan, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 2930-2941.

    18. [18] Z. Peng, D. Zhang, T. Yan, J. Zhang, L. Shi, Appl. Surf. Sci., 2013, 282, 965-973.

    19. [19] C. Rao, R. Liu, X. Feng, J. Shen, H. Peng, X. Xu, X. Fang, J. Liu, X. Wang, Chin. J. Catal., 2018, 39, 1683-1694.

    20. [20] H. Yang, J. Deng, Y. Liu, S. Xie, P. Xu, H. Dai, Chin. J. Catal., 2016, 37, 934-946.

    21. [21] Z. Zhang, Y. Zhang, Z. Wang, X. Gao, J. Catal., 2010, 271, 12-21.

    22. [22] X. Yang, X. Yu, M. Lin, M. Ge, Y. Zhao, F. Wang, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 13799-13806.

    23. [23] C. Tang, J. Sun, X. Yao, Y. Cao, L. Liu, C. Ge, F. Gao, L. Dong, Appl. Catal. B, 2014, 146, 201-212

    24. [24] M. Sadakane, R. Kato, T. Murayama, W. Ueda, J. Solid State Chem., 2011, 184, 2299-2305.

    25. [25] H. Wang, Z. Zhao, C. Xu, A. Duan, J. Liu, Y. Chi, Chin. J. Catal., 2008, 29, 649-654.

    26. [26] C. Rao, J. Shen, F. Wang, H. Peng, X. Xu, H. Zhan, X. Fang, J. Liu, W. Liu, X. Wang, Appl. Surf. Sci., 2018, 435, 406-414

    27. [27] T. Liu, Q. Li, Y. Xin, Z. Zhang, X. Tang, L. Zheng, P. X. Gao, Appl. Catal. B, 2018, 232, 108-116.

    28. [28] Y. Wei, J. Liu, Z. Zhao, A. Duan, G. Jiang, C. Xu, J. Gao, H. He, X. Wang, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2959-2970.

    29. [29] J. Xu, J. Liu, Z. Zhao, C. Xu, J. Zheng, A. Duan, G. Jiang, J. Catal., 2011, 282, 1-12.

    30. [30] Z. Li, M. Meng, Y. Zha, F. Dai, T. Hu, Y. Xie, J. Zhang, Appl. Catal. B, 2012, 121-122, 65-74.

    31. [31] N. T. H. Le, J. M. Calderón-Moreno, M. Popa, D. Crespo, L. Van Hong, N. X. Phuc, J. Eur. Ceram. Soc., 2006, 26, 403-407.

    32. [32] S. Mickevičius, S. Grebinskij, V. Bondarenka, B. Vengalis, K. Šliužienė, B. A. Orlowski, V. Osinniy, W. Drubec, J. Alloys Compd., 2006, 423, 107-111.

    33. [33] R. C. Rabelo-Neto, H. B. E. Sales, C. V. M. Inocêncio, E. Varga, A. Oszko, A. Erdohelyi, F. B. Noronha, L. V. Mattos, Appl. Catal. B, 2018, 221, 349-361.

    34. [34] W. Che, M. Wei, Z. Sang, Y. Ou, Y. Liu, J. Liu, J. Alloys Compd., 2018, 731, 381-388.

    35. [35] L. Qiao, X. F. Bi, Thin Solid Films, 2010, 519, 943-946.

    36. [36] J. Yu, J. Sunarso, Y. Zhu, X. Xu, R. Ran, W. Zhou, Z. Shao, Chem. Eur. J., 2016, 22, 2719-2727.

    37. [37] M. Lin, X. Yu, Y. Yang, K. Li, M. Ge, J. Li. Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 1573-1580.

    38. [38] J. T. Mefford, W. G. Hardin, S. Dai, K. P. Johnston, K. J. Stevenson, Nat. Mater., 2014, 13, 726-732.

    39. [39] G. Perin, J. Fabro, M. Guiotto, Q. Xin, M. M. Natile, P. Cool, P. Canu, A. Glisenti, Appl. Catal. B, 2017, 209, 214-227.

    40. [40] H. Wang, J. Liu, Z. Zhao, Y. Wei, C. Xu, Catal. Today, 2012, 184, 288-300.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  1604
  • HTML全文浏览量:  202
文章相关
  • 收稿日期:  2018-10-23
  • 修回日期:  2018-11-21
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