Co3O4-CeO2氧化物对丙烷完全氧化的催化性能

朱文军 陈霄 金建辉 邸鑫 梁长海 刘中民

引用本文: 朱文军,  陈霄,  金建辉,  邸鑫,  梁长海,  刘中民. Co3O4-CeO2氧化物对丙烷完全氧化的催化性能[J]. 催化学报, 2020, 41(4): 679-690. doi: S1872-2067(19)63523-0 shu
Citation:  Wenjun Zhu,  Xiao Chen,  Jianhui Jin,  Xin Di,  Changhai Liang,  Zhongmin Liu. Insight into catalytic properties of Co3O4-CeO2 binary oxides for propane total oxidation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(4): 679-690. doi: S1872-2067(19)63523-0 shu

Co3O4-CeO2氧化物对丙烷完全氧化的催化性能

  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2016YFB0600305).

摘要: 挥发性有机化合物(VOCs)是全球大气污染物的主要来源,近年来已造成严重的环境问题.催化氧化是一种有效的、经济可行的VOCs去除技术,其研究的关键在于开发高效、稳定的催化剂.在本文中,我们采用柠檬酸法合成了一系列具有不同Co/(Ce+Co)摩尔比的Co3O4-CeO2二元氧化物催化剂,研究了其对丙烷(低碳VOCs)的催化氧化性能.
在催化活性测试中,反应气的组成为0.2 vol.% C3H8和5 vol.% O2,Ar为平衡气,气体总流速为200mL min-1.实验结果表明,Ce的掺入能够明显提高Co3O4的丙烷催化氧化性能,Co3O4-CeO2催化剂的丙烷催化氧化活性顺序为CoCeOx-70 > CoCeOx-90 > Co3O4 > CoCeOx-50 > CoCeOx-20 > CeO2.当Co/(Ce+Co)摩尔比为70%时,CoCeOx-70催化剂的丙烷催化氧化性能最好.在丙烷转化率达到90%时,CoCeOx-70催化剂的反应温度为310℃(GHSV=120000mL h-1 g-1),相比于单一的Co3O4催化剂的反应温度降低了25℃.
XRD和TEM表征结果显示,在Co3O4-CeO2二元氧化物催化剂中存在Co3O4和CeO2两种晶型,同时随着Ce的掺入,催化剂的粒径明显降低.Raman光谱图显示,Ce的掺入使催化剂的晶格发生畸变,促进催化剂表面氧空位的产生,为催化剂中氧的迁移提供晶格位点.H2-TPR和C3H8-TPSR结果表明,Co3O4与CeO2间存在相互作用,能够提高催化剂的低温还原性能,以促进催化剂的丙烷催化氧化.O2-TPD和O 1s XPS结果表明,Ce的掺入能够增加催化剂表面活性氧物种的产生,提高催化剂中氧的移动性,从而提高了催化剂对丙烷的催化氧化活性.在对Co3O4和CoCeOx-70催化剂进行in-situDRIFTS表征和简单的动力学研究,我们发现Ce的掺入不改变催化剂的丙烷催化氧化反应路径,其存在能够促进丙烷在催化剂表面的吸附和活化,以提高催化剂的丙烷催化氧化活性.同时,丙酮和酯作为中间物参与到丙烷的催化氧化反应过程中.
此外,我们考察了反应气氛中水蒸气和CO2的存在对催化剂催化性能的影响.结果表明,CO2和水蒸气的存在都抑制了催化剂的丙烷催化氧化活性,催化性能随着CO2和水蒸气浓度的增加而降低.在相同条件下,水蒸气对催化剂催化性能的抑制作用明显大于CO2的抑制作用,但这种抑制作用会随着反应气中水蒸气和CO2的消失而消失.在稳定性测试中,CoCeOx-70催化剂表现出优异的抗水蒸气和CO2性能.在反应气中存在5 vol.%水蒸气和5 vol.% CO2的条件下,CoCeOx-70催化剂在50 h的稳定性测试中均未出现明显的失活现象.同时,经过10次加热和降温循环测试后,催化剂的催化活性也没有发生明显变化,这为CoCeOx-70催化剂的未来工业化的应用提供了可能.

English

    1. [1] M. N. Taylor, W. Zhou, T. Garcia, B. Solsona, A. F. Carley, C. J. Kiely, S. H. Taylor, J. Catal., 2012, 285, 103-114.

    2. [2] Y. Xie, Y. Yu, X. Gong, Y. Guo, Y. Guo, Y. Wang, G. Lu, CrystEngComm, 2015, 17, 3005-3014.

    3. [3] Y. Boyjoo, H. Sun, J. Liu, V. K. Pareek, S. Wang, Chem. Eng. J., 2017, 310, 537-559.

    4. [4] Z. Zhu, G. Lu, Z. Zhang, Y. Guo, Y. Guo, Y. Wang, ACS Catal., 2013, 3, 1154-1164.

    5. [5] Z. Wang, Y. Liu, T. Yang, J. Deng, S. Xie, H. Dai, Chin. J. Catal., 2017, 38, 207-216.

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

    7. [7] M. Cargnello, J. J. D. Jaén, J. C. H. Garrido, K. Bakhmutsky, T. Montini, J. J. C. Gámez, R. J. Gorte, P. Fornasiero, Science, 2012, 337, 713-717.

    8. [8] J. E. Park, K. B. Kim, Y.-A. Kim, K. S. Song, E. D. Park, Catal. Lett., 2013, 143, 1132-1138.

    9. [9] Z. Hu, S. Qiu, Y. You, Y. Guo, Y. Guo, L. Wang, W. Zhan, G. Lu, Appl. Catal. B, 2018, 225, 110-120.

    10. [10] C. Shi, Y. Wang, A. Zhu, B. Chen, C. Au, Catal. Commun., 2012, 28, 18-22.

    11. [11] D. Li, W. Li, Y. Deng, X. Wu, N. Han, Y. Chen, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 10275-10282.

    12. [12] X. Xie, Y. Li, Z.Q. Liu, M. Haruta, W. Shen, Nature, 2009, 458, 746-749.

    13. [13] C. Y. Ma, Z. Mu, J. J. Li, Y. G. Jin, J. Cheng, G. Q. Lu, Z. P. Hao, S. Z. Qiao, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 2608-2613.

    14. [14] Z. Fan, Z. Zhang, W. Fang, X. Yao, G. Zou, W. Shangguan, Chin. J. Catal., 2016, 37, 947-954.

    15. [15] Z. Ren, Z. Wu, W. Song, W. Xiao, Y. Guo, J. Ding, S. L. Suib, P.-X. Gao, Appl. Catal. B, 2016, 180, 150-160.

    16. [16] G. Salek, P. Alphonse, P. Dufour, S. Guillemet-Fritsch, C. Tenailleau, Appl. Catal. B, 2014, 147, 1-7.

    17. [17] H. Li, G. Lu, D. Qiao, Y. Wang, Y. Guo, Y. Guo, Catal. Lett., 2011, 141, 452-458.

    18. [18] T. Montini, M. Melchionna, M. Monai, P. Fornasiero, Chem. Rev., 2016, 116, 5987-6041.

    19. [19] B. Zhao, Y. Jian, Z. Jiang, R. Albilali, C. He, Chin. J. Catal., 2019, 40, 543-552.

    20. [20] H. Wu, L. Wang, Catal. Commun., 2011, 12, 1374-1379.

    21. [21] L. Xue, C. Zhang, H. He, Y. Teraoka, Appl. Catal. B, 2007, 75, 167-174.

    22. [22] C. Ma, D. Wang, W. Xue, B. Dou, H. Wang, Z. Hao, Environ. Sci. Technol., 2011, 45, 3628-3634.

    23. [23] T. Sato, T. Komanoya, Catal. Commun., 2009, 10, 1095-1098.

    24. [24] V. G. Hadjiev, M. N. Iliev, I. V. Vergilov, J. Phys. C:Solid State Phys., 1988, 21, L199-L201.

    25. [25] Q. Liu, L.-C. Wang, M. Chen, Y. Cao, H.-Y. He, K.-N. Fan, J. Catal., 2009, 263, 104-113.

    26. [26] I. Lopes, N. El Hassan, H. Guerba, G. Wallez, A. Davidson, Chem. Mater., 2006, 18, 5826-5828.

    27. [27] J. Luo, M. Meng, X. Li, X. Li, Y. Zha, T. Hu, Y. Xie, J. Zhang, J. Catal., 2008, 254, 310-324.

    28. [28] A. Martínez-Arias, M. Fernández-García, O. Gálvez, J. M. Coronado, J. A. Anderson, J. C. Conesa, J. Soria, G. Munuera, J. Catal., 2000, 195, 207-216.

    29. [29] Y. Luo, J. Zuo, X. Feng, Q. Qian, Y. Zheng, D. Lin, B. Huang, Q. Chen, Chem. Eng. J., 2019, 357, 395-403.

    30. [30] B. Bai, H. Arandiyan, J. Li, Appl. Catal. B, 2013, 142-143, 677-683.

    31. [31] Y. Xia, H. Dai, H. Jiang, L. Zhang, Catal. Commun., 2010, 11, 1171-1175.

    32. [32] W. Ding, Y. Chen, X. Fu, Catal. Lett., 1994, 23, 69-78.

    33. [33] Y. Liu, H. Dai, J. Deng, Y. Du, X. Li, Z. Zhao, Y. Wang, B. Gao, H. Yang, G. Guo, Appl. Catal. B, 2013, 140-141, 493-505.

    34. [34] W. Tang, X. Wu, S. Li, X. Shan, G. Liu, Y. Chen, Appl. Catal. B, 2015, 162, 110-121.

    35. [35] A. Restovic, E. Ríos, S. Barbato, J. Ortiz, J. L. Gautier, J. Electroanal. Chem., 2002, 522, 141-151.

    36. [36] A. Bielanski, J. Haber, Oxygen in Catalysis, Marcel Dekker, New York, 1991.

    37. [37] Y. Moro-Oka, Y. Morikawa, A. Ozaki, J. Catal., 1967, 7, 23-32.

    38. [38] J. Wu, Q. Xia, H. Wang, Z. Li, Appl. Catal. B, 2014, 156-157, 265-272.

    39. [39] H. Pan, M. Xu, Z. Li, S. Huang, C. He, Chemosphere, 2009, 76, 721-726.

    40. [40] Z. Hu, Z. Wang, Y. Guo, L. Wang, Y. Guo, J. Zhang, W. Zhan, Environ. Sci. Technol., 2018, 52, 9531-9541.

    41. [41] Y. Xie, Y. Guo, Y. Guo, L. Wang, W. Zhan, Y. Wang, X. Q. Gong, G. Lu, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 8222-8233.

    42. [42] S. Swislocki, K. Stöwe, W. F. Maier, J. Catal., 2014, 316, 219-230.

    43. [43] C. P. O'Brien, I. C. Lee, J. Catal., 2017, 347, 1-8.

    44. [44] M. Baldi, E. Finocchio, F. Milella, G. Busca, Appl. Catal. B, 1998, 16, 43-51.

    45. [45] L. Ma, C. Y. Seo, X. Chen, K. Sun, J. W. Schwank, Appl. Catal. B, 2018, 222, 44-58.

    46. [46] X. Wu, L. Zhang, D. Weng, S. Liu, Z. Si, J. Fan, J. Hazard. Mater., 2012, 225-226, 146-154.

    47. [47] F. Liu, J. Shen, D. Xu, W. Zhou, S. Zhang, L. Wan, Chem. Eng. J., 2018, 334, 2283-2292.

    48. [48] M. Luo, Y. Cheng, X. Peng, W. Pan, Chem. Eng. J., 2019, 369, 758-765.

    49. [49] P. Xu, Z. Wu, J. Deng, Y. Liu, S. Xie, G. Guo, H. Dai, Chin. J. Catal., 2017, 38, 92-105.

    50. [50] D. Widmann, R. J. Behm, J. Catal., 2018, 357, 263-273.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  927
  • HTML全文浏览量:  69
文章相关
  • 收稿日期:  2019-08-22
  • 修回日期:  2019-09-30
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