Ni/ZrO2催化剂对CH4部分氧化反应的催化性能

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Identification of F+ centers in hafnia and zirconia nanopowders

Luminescence properties of undoped hafnia and zirconia nanopowders prepared by solution combustion synthesis were investigated under photo- and electron-beam excitation in 10–400 K temperature range. Along with the main luminescence band revealed in investigated materials at low temperatures at 4.2–4.3 eV and ascribed to the emission of self-trapped excitons, there are luminescence bands due to defects and impurities introduced during sample preparation. At room temperature the latter emissions dominate in the luminescence spectra as the intrinsic self-trapped exciton emission is quenched. Analysis of decay kinetics of defect centers allowed identification of F⁺ centers emission at 2.8 eV with lifetimes ∼3–6 ns in hafnia and zirconia under intra-center excitation.     

V2O5-WO3/TiO2-ZrO2脱硝催化剂中 ZrO2和 WO3的促进作用：催化性能、形态及反应机理

商业选择性催化还原(SCR)催化剂成分主要有 V2O5, WO3和 TiO2,但适用温度窗口较窄(300?400℃),使得实际操作过程中活性较低.目前,过渡金属广泛应用于催化剂制备中以提高其催化活性.相比于纯 TiO2和 ZrO2载体, TiO2-ZrO2具有较高的热稳定性以及较多的酸位,虽然有关 TiO2-ZrO2为载体的催化剂研究较多,但未与商业催化剂进行对比研究.而针对 NH3-SCR脱硝机理的实验研究也存在一些争议,主要原因归为以下两方面：(1)多数催化剂不同会直接导致催化剂的活性酸位不同;(2)不同 NH3-SCR脱硝催化剂的起活温度不同.同时, NH3和 NO在反应温度的吸附情况仍需要进一步研究.因此,有必要深入探究 NH3-SCR脱硝机理,以解决现行研究中存在的问题.本文首先采用共沉淀法制备摩尔比为1：1的 TiO2-ZrO2固溶体,并分步浸渍不同质量比的 WO3和1%V2O5,最终得到一系列1%V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2.然后通过 X射线衍射(XRD)和比表面积测试(BET)、程序升温还原(TPR)、原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)研究了 WO3和 ZrO2对催化性能的影响以及 V2O5-WO3/TiO2-ZrO2催化剂的反应机理. N2物理吸附结果表明, WO3的添加使得催化剂孔结构的热稳定性有所提高,同时随着 WO3含量增加催化剂的比表面积逐渐减小,但仍高于 V2O5/TiO2-ZrO2催化剂; ZrO2对催化剂比表面积增大效果比较明显.结合 XRD结果表明, WO3能促进金属氧化物在载体上的分散;相比于 V2O5-WO3/TiO2催化剂, ZrO2有利于活性组分的分散负载.比较系列 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2的氨吸附情况,发现 WO3的添加增加了 Br?nsted酸的稳定性,其中以9%WO3的效果最显著.催化剂氨吸附中间物种(–NH2)的发现,证实了 WO3添加促进了 NH3的活化,有利于脱硝反应的进行. SCR反应结果显示, V2O5-9%WO3/TiO2-ZrO2催化剂在300–450oC时 NOx转化效率最优,并发现 O2的存在促进了 NOx的转化.采用in situ DRIFTS研究了 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂脱硝机理,300和350oC时 NH3, NO, NO + O2吸附情况表明,在真实的反应温度下,脱硝过程中的活性中心为 Lewis酸中心, Br?nsted酸中心的 NH4+极易从催化剂表面脱附,无法吸附在催化剂表面,且与 NH3相比, NO只能以 NO2的形式弱吸附在催化剂表面.因此,该催化剂遵循 Eley-Ridel脱硝机理.而 V2O5-9%WO3/TiO2-ZrO2催化剂具有相对较高的脱硝效率,因此用来着重研究 NH3-SCR机理.在 NH3吸附过程中, NH3(1204,1602,3156,3264,3347 cm?1)和活性中产物 NH2(1550 cm?1)在催化剂表面的吸附(恒温300oC)是稳定的;随后通入 NO + O2时, NH3吸附过程中的所有吸收峰(包括 NH2)均逐渐减小(NH3吸附态与 NO结合后分解为 N2和 H2O),同时出现 H2O的振动峰,这证明了 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂的脱硝反应过程.各类气体吸附情况表明, NO在商业催化剂的吸附状态与 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂相同;但 NH3吸附结果表明, Br?nsted酸中心和 Lewis酸中心都是催化剂的活性中心; NO + O2的通入使得催化剂表面的 NH3和 NH4+都逐渐消失.这两种催化剂脱硝反应过程差异主要在于催化剂表面活性中心的不同,导致了不同的 NOx脱除路径.通过in situ DRIFTS比较 O2的存在对脱硝反应产生的不同影响来确定 O2的作用.两类催化剂上 O2均参与了 H2O的形成,促进了催化反应的完成;当 O2不存在时, NO的还原受到了极大地抑制,同时也未出现 H2O;两者的脱硝效率大大降低. H2-TPR和 NH3-TPR结果进一步证实 O2的作用主要是氧化 NO及参与催化过程 H2O的形成.     

Comparison of alkali-promoted ZrO2 catalysts towards carbon black oxidation

The effect of alkali metals deposition on zirconia has been studied in the oxidation of carbon black, considered as a model of diesel soot. The study of the influence of alkali content and alkali precursor was undertaken for K/ZrO₂, evidencing a better activity for a catalyst prepared with an atomic ratio K/Zr = 0.14 and from a nitrate precursor. Using the latter preparation conditions, alkali/ZrO₂ are found to be active in the oxidation of carbon black according the sequence ZrO₂ < Li/ZrO₂ < Na/ZrO₂ < K/ZrO₂ < Rb/ZrO₂ < Cs/ZrO₂. Alkali metals have an influence on the tetragonal–monoclinic crystalline modification. Alkali metals ions with low size tend to stabilize the tetragonal ZrO₂ phase whereas those with higher ionic radius favour the tetragonal–monoclinic modification. Fourier transform-infrared spectroscopy (FTIR) and temperature programmed reduction (TPR) measurements show that the catalytic activity partially depends on the presence of nitrate species stabilized in alkali/ZrO₂ even after calcination treatment at 600 °C. Nitrate species are more stable in the presence of alkali with high ionic radius than those of low size.     

溶剂热法合成纯单斜和四方晶相氧化锆中的溶剂效应

在以水或甲醇为溶剂, 通过溶剂热反应合成纯单斜相或四方相氧化锆的前期工作基础上, 利用X射线衍射手段研究了硝酸氧锆(ZrO(NO3)2·2H2O)和尿素的溶剂热反应产物——水合ZrO2的物相结构在不同反应温度、反应时间及后处理温度等条件下的变化过程, 提出了不同晶相氧化锆的形成、转变以及稳定的可能机理. 不论在水还是甲醇溶液中, 最初水解得到的水合ZrO2沉淀即晶相氧化锆前体都具有四方对称性结构. 在水热反应条件下, 氧化锆沉淀物发生Ostwald熟化(溶解-沉淀)过程, 四方对称性结构转变为热力学稳定的单斜对称性结构. 而在甲醇热反应条件下, 氧化锆沉淀物不溶于甲醇, 从而Ostwald熟化过程被抑制, 使得四方对称性结构得以保持; 同时, 尿素与水合锆沉淀物反应脱除所含的结晶水, 形成更刚性的四方对称性结构, 这样使得高温热处理(400 ℃)只能促进其晶化过程, 但不改变其对称性. 因而, 不同溶剂对氧化锆沉淀物溶解性的差异以及造成的氧化锆沉淀物与尿素反应性能的差异可能是溶剂热反应合成单一晶相氧化锆的关键因素.     

1-萘甲膦酸改性氧化锆固定相分离芳胺类化合物的色谱性能研究

研究了一些芳胺类化合物在1-萘甲膦酸改性氧化锆固定相上的色谱行为。分别考察了流动相中甲醇含量、缓冲液pH值和离子强度等对芳胺类化合物色谱保留的影响,并对这类化合物在该固定相上的保留机理进行了探讨。研究结果表明,芳胺类化合物在该固定相上表现出反相和阳离子交换的混合保留模式。以pH 10.1的Tris-甲醇(60/40,V/V)溶液为流动相,在1-萘甲膦酸改性氧化锆固定相上成功分离了间苯二胺、邻甲苯胺、N-甲苯胺、对硝基苯胺、邻硝基苯胺和α-甲萘胺6种芳胺类化合物。     

ZrO2中Eu3+的发光特性

研究了掺1mol％Eu^3 的ZrO2纳米材料随退火温度变化的发光性质,得到退火温度为600和800℃的样品中Eu^3 的^5D0→^7F2发射在604nm处,我们认为：^7F2能级受到较强的晶场影响而发生能级劈裂,劈裂成4个子能级,出现两种发射,在章中为604和612nm．的两种发射,这两种发射所占的分支比不同,前一种发射所占的分支比较大,而后一种发射所占的分支比较小,因而,604nm的发射占优势。研究了ZnO2纳米材料中掺杂浓度变化时Eu^3 的发光性质,得到掺杂浓度为3mol％的样品的发射与众不同,它只有597nm处的1个宽带发射。     

二氧化锆相结构的漫反射光谱表征

利用紫外漫反射光谱考察了二氧化锆基催化剂的表面相组成 ,结合X射线粉末衍射、差热分析和X射线光电子能谱研究了铂化以及Al2 O3 的引入对样品中ZrO2 体相和表面相结构的影响。结果表明 :通氢还原铂化过程使部分的ZrO2 由四方相向单斜相转化 ,而且在催化剂表面这一效应更为显著。随着基体中引入Al2 O3 量的增加 ,二氧化锆的相变温度不同程度地向高温转移 ,添加Al2 O3 使ZrO2 得到较好的分散并抑制单斜相二氧化锆的生成。     

Surfactant-assisted synthesis of defective zirconia mesophases and Pd/ZrO2: Crystalline structure and catalytic properties

Mesoporous zirconia nanophases with structural defects were synthesized by using a surfactant-templated method. Physicochemical properties and crystalline structures of the zirconia nanophases were studied by means of thermogravimetric analysis (TGA), N₂ physosorption isotherm and in situ Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD) techniques. The resultant materials show typical mesoporous features which vary with calcination temperature. The cationic surfactant in the network of the solids induces structural deformation and defect creation. The zirconia consists of monoclinic and tetragonal nanophases which contains many structural defects, and its crystalline structure shows microstrain. Both, concentration of lattice defects and degree of the crystal microstrain, decrease as the calcination temperature is increased. When CO is adsorbed on the surface of Pd/ZrO₂, linear bonds of CO–Pd⁰, CO–Pd^δ+ and CO–Zr⁴⁺ are formed, accompanying with CO₂ production. Catalytic evaluation shows that the Pd/ZrO₂ catalyst is very active for CO oxidation and NO reduction. In the case of oxygen absence from reaction mixture, high selectivity to N₂ is achieved without any NO₂ formation. In the oxygen rich condition, CO conversion is enhanced but less than 19% NO₂ is produced. N₂O is formed only in the reducing condition and its selectivity is sensitive to reaction temperature. The possible mechanisms of NO + CO and NO + CO + O₂ reactions over Pd/ZrO₂ catalyst related to reactant dissociation on the Pd metals and to defective structure of the nanozirconia support are discussed.