CO氧化催化剂载体的选取

金属催化剂按催化剂的活性组分是否负载在载体上分类分为非负载型和负载型。非负载型金属催化剂指的是没有载体的金属催化剂,按组成也可分为单金属与合金两种。一般以骨架金属、金属粉末、金属丝网、金属蒸发膜、金属屑片和金属颗粒等形式应用;负载型金属催

        金属催化剂按催化剂的活性组分是否负载在载体上分类分为非负载型和负载型。非负载型金属催化剂指的是没有载体的金属催化剂,按组成也可分为单金属与合金两种。一般以骨架金属、金属粉末、金属丝网、金属蒸发膜、金属屑片和金属颗粒等形式应用;负载型金属催化剂指的是金属组分负载在载体上的催化剂,用以提高金属组分的分散度和热稳定性,使催化剂有合适的孔结构、形状和机械强度。因为本文选用的是贵金属催化剂,为了节约成本所以选择制作负载型金属催化剂。

  1.1 载体的作用  

       通常来说,载体对催化剂有以下几种作用:
       1)对催化剂活性组分起机械承载作用。
        对于有些催化剂而言,必须具有足够的机械强度,才能承受各种应力。在实验中一般都是以载体的设计和选择来决定催化剂的机械强度。有些本身机械强度比较弱的活性组分只有当它负载在载体上时,才能满足不同强度的实验和反应器的要求,从而使催化剂具有足够的机械强度。因此,载体对催化剂活性组分起机械承载作用。
        2)提高催化剂的热稳定性。
        在工业生产中许多催化反应都是在高温下来进行的,比如催化燃烧、重油加氢裂化、汽车尾气的进化等。这些反应都需要在高温下来进行,所以催化剂必须具有非常好的热稳定性。
没有使用载体的催化剂因为活性组分太密集,在高温下催化剂颗粒之间的相互作用会变大,从而使表面积减小。在严重的情况下还有可能发生烧结的现象,导致催化剂催化活性下降或者失活。而当催化剂活性组分负载于载体上时,能够将活性组分分散开来,防止催化剂颗粒因为受到高温而聚集到一起导致失活。而且因为表面积的增大可以增加催化剂在高温反应下的散热能力,维持催化剂在高温下的催化活性。
        3)提高催化剂的抗中毒能力。
        催化剂在使用过程中经常会因为各种各样的原因导致失活,尤其是一些金属催化剂。比如在反应物中含有能与催化剂活性组分发生结合反应的物质,反应后形成稳定的化合物就可能导致催化剂活性显著下降甚至失活。当使用载体时,催化剂表面积增加,对毒物的接触敏感性就下降,而且载体有分解和吸附毒物的作用。
        4)降低成本。
        当催化剂负载于载体上时,会增大活性组分的表面积,提高孔道的丰富性,增大颗粒的分散性,从而使催化剂活性组分的催化性能增加。这样就使得活性组分的消耗量减少,成本也就下降。
  1.2 水滑石载体
        催化剂载体种类有很多种。目前世界上研究比较多的有天然矿物类、吸附剂类、玻璃类、陶瓷类、有几类等几种。本文选用水滑石类化合物作为本次课题研究的催化剂载体。
水滑石类化合物(如图1-1所示)包含层状材料水滑石(Hydrotalcite, 简称为HT)与类水滑石(Hydrotalcite-1ike compounds, 简称为HTLcs)两种,这种化合物通常是由带正电荷层板和层间填充带负电荷的阴离子所组成,叫做层状双羟基复合金属氢氧化物(Layereddouble hydroxides, 简称为LDHs)。水滑石类化合物及其衍生物具有比表面积大,分散均匀的特点,如果把过渡金属插进水滑石类化合物中,使得活性组分分散均匀,催化性能提高。如赵毅[23]利用MgAlFe-LDHs在酸性橙的脱色实验中脱色率达到了99.88%,张峰[24]用MgAl-LDHs在印染废水的处理中去除率达到了96.7%。
 
CO氧化催化剂载体的选取 
图1-1 水滑石类化合物典型结构图
 
        水滑石类化合物是近来发展非常迅速的一种阴离子型粘土。它具有非常特殊的层状结构和物理化学性质,比如热稳定性、带电性质、碱性、微孔结构、吸附性能、阴离子可交换性、催化性能、记忆效应等,在许多高分子材料的阻燃剂、热稳定剂、催化剂、催化剂载体、杀虫剂、污水处理剂、电流变调节剂、医药、医药载体及石油工业等很多方面具有广泛的应用。但是天然的水滑石储量很有限,而且不纯净,所以人工合成水滑石就成为了首选。
         在CO氧化催化这个课题上,前人们已经进行了大量的研究工作,但是因为各种各样的技术或者其它因素,CO低温氧化催化剂在制备上还是有许多缺陷。拿Pd催化剂来说,在贵金属催化剂中,它的催化活性和稳定性都非常的好。但是在Pd催化剂中,Pd金属含量所占催化剂比例非常大,这也影响着它的制造成本。所以有必要负载载体,在没有降低它的优点的同时,降低Pd催化剂中Pd的含量。在催化剂的制备上,人们多用浸渍法或共沉淀法,这些方法虽然操作过程简单并且工艺比较成熟,但也有活性组分颗粒分布不均匀,颗粒尺寸难以控制等缺点。此外有些载体的选取也会受到浸渍法或共沉淀法还原条件或还原过程的很多限制。相比于传统浸渍法或共沉淀法,液相还原法制备的钯催化剂具有颗粒粒径小,粒径均匀,分散性好,负载过程温和等优势。
本文旨在通过先合成出镁铝水滑石载体,再负载贵金属Pd,研究其CO催化氧化性能,目标是合成一种具有优异性能的CO低温催化氧化催化剂。
        本课题主要针对不同钯含量对负载型钯催化剂在CO氧化催化中的影响进行探究。在本实验中涉及到的载体、催化剂与合成方法等前文都做了简单阐述。确定了采用镁铝水滑石作为载体,用液相还原法制备负载型钯催化剂,探究不同Pd含量对Pd催化剂催化性能的影响。并测定它在不同的反应温度下的活性,然后结合X射线衍射仪(XRD)、N2物理吸附-、氢氧滴定(H2-O2 titration)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等手段表征催化剂的物相及Pd金属分散度,考察钯负载量对于CO氧化性能的影响。

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