SAPO-34提升铁钒基催化剂抗碱性能研究

采用浸渍法制备Fe-VO_x/SAPO-34和Fe-VO_x/TiO₂脱硝催化剂,探究SAPO-34分子筛与TiO₂两种载体负载铁钒基氧化物催化活性及抗碱性能的差异。借助X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)、氢气程序升温还原(H₂-TPR)、原位红外漫反射(in-situ DRIFTs)等表征手段对催化剂的骨架结构、表面物化性质、氧化还原能力以及对反应气体的吸脱附情况进行分析。结果表明:SAPO-34分子筛内部特定的孔道结构和稳定的骨架,有利于活性组分在载体上均匀分散,降低碱金属对表面活性中心的物理覆盖作用;同时其表面丰富的酸位点能够作为碱金属捕获位,保护催化剂表面的活性中心,保证催化剂的吸附-反应过程能够正常进行,从而使Fe-VO_x/SAPO-34表现出良好的抗碱金属能力。     

水滑石基磁性Co/Al2O3催化剂在乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯反应中的应用

γ-戊内酯广泛应用于食品添加剂、燃料添加剂、溶剂、汽油、柴油以及多种化工中间体的合成,由于其上游原料乙酰丙酸是重要的生物质基平台化合物已实现了工业化生产,因此发展其高效、可循环使用的催化合成新体系是近年来生物质催化转化的研究热点之一.目前使用的多相催化剂体系主要是浸渍法制备的负载型金属纳米颗粒催化剂,活性金属主要有Ru, Pd, Pt, Au, Cu, Ni等.由于乙酰丙酸制备γ-戊内酯反应是一个酸性的含水体系,在高温、高压条件下,使用浸渍法得到的催化剂特别是非贵金属催化剂容易发生活性金属的聚集、流失,从而使得催化剂重复使用的效果不佳.从非贵金属替代贵金属和提高催化剂稳定性这两点入手,本论文以水滑石为合成催化剂的单一前驱体,将非贵金属(Cu, Ni, Fe, Co)掺入到水滑石的结构骨架中,通过直接氢气焙烧还原制得了高负载量的负载型金属纳米颗粒多相催化剂.将制得的催化剂应用于乙酰丙酸加氢反应,其催化活性顺序为： Co>Ni>Cu>Fe.制备出了5种不同Co/Al比的Co基催化剂,其中4Co/Al2O3催化剂在H2(5 MPa)、180 oC条件下,显示出了类似贵金属钌催化剂的活性和选择性,乙酰丙酸在3 h内完全转化,γ-戊内酯的选择性高达99%.为了进一步了解催化剂的结构与其活性和稳定性之间的关系,我们采用X射线粉末衍射仪(XRD),氢气程序升温还原(H2-TPR), X射线光电子能谱(XPS),透射电子显微镜(TEM)等表征手段研究了催化剂的形貌和结构. TEM结果表明,以水滑石为前驱体制备的Co催化剂中负载的Co纳米颗粒的平均粒径在25–30 nm,而用浸渍法制备的相同负载量的Co催化剂的Co纳米颗粒粒径大于150 nm.相应的催化反应结果表明,前者的催化活性要远好于后者.水滑石前驱体的H2-TPR实验结果表明,随着Co/Al比增加,其还原峰向低温方向位移.这是由于Al含量的减少,导致金属Co离子周围键合的Al离子数量减少,从而使得Co与Al之间的作用力减弱, Co更加容易被还原.表现在还原温度上,即为还原温度降低,说明了Co纳米颗粒与载体之间具有一种强相互作用.结合TEM测试结果,正是这种强相互作用限制了Co纳米颗粒的长大,使其要远小于用浸渍法制得的Co纳米颗粒. HRTEM测试结果显示在4Co/Al2O3催化剂结构中, Co金属纳米颗粒与载体Al2O3之间存在一种核壳结构的关系, Co纳米颗粒被包埋于载体Al2O3中形成核壳结构.这种结构同样也保证了活性金属与载体之间较强的相互作用,有效地避免Co纳米颗粒在强水热、酸性条件下的聚集和流失,从而使该催化剂在循环使用四次时仍能保持优异的活性和选择性.我们进一步研究了该核壳结构形成的原因.发现催化剂在制备过程中如果先用空气高温焙烧,再用氢气还原,得到的催化剂中则没有明显的核壳结构,且Co纳米颗粒粒径在55 nm左右.相应的催化反应结果也要差于直接氢气焙烧还原得到的4Co/Al2O3催化剂.这也从侧面说明了以水滑石为前驱体制备负载型金属纳米颗粒催化剂时,其原位的限制效应在控制金属纳米颗粒的大小、稳定性方面的优越性.此外,由于该Co催化剂具有磁性特征,很容易通过磁性回收实现催化剂与反应液的分离,大大简化了催化剂的回收及产物分离过程.     

SCR催化剂碱(土)金属中毒的研究进展

在选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统中,催化剂碱(土)金属中毒和再生受到广泛关注。本文综述了SCR脱硝催化剂碱(土)金属中毒的失活机理及基于分子水平上碱金属中毒的研究新思路,并根据催化剂的各种失活机理,有针对性地综述了提高催化剂抗碱金属中毒的途径及中毒催化剂的再生方法。     

O2/CO2气氛下稻秆添加磷酸二氢铵对固钾及灰熔融特性的研究

研究了21%O₂/79%CO₂气氛下,磷酸二氢铵对稻秆不同温度下的固钾能力及对灰熔融性的影响。利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)、X射线衍射(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)等检测手段,对稻秆燃烧灰中K元素含量、产物物相以及微观形貌进行分析。固定床燃烧固钾实验表明,添加NH₄H₂PO₄能够有效提高稻秆固钾率,900℃下稻秆自身固钾率为14.65%,添加NH₄H₂PO₄后固钾率为68.79%,可以有效抑制生物质燃烧过程中碱金属以气态形式析出,并缓解了灰结渣现象。700℃燃烧条件下NH₄H₂PO₄和钾反应的主要产物为KPO₃;900℃下反应的主要产物为高熔点物质K₂CaP₂O₇,从微观形貌可以看出NH₄H₂PO₄能够抑制灰颗粒的烧结,添加NH₄H₂PO₄能有效提升稻秆灰熔点。     

准东高碱煤气化过程中碱金属迁移与结渣特性实验研究

利用循环流化床对天池木垒高碱煤进行了气化实验研究,获得了天池木垒高碱煤在循环流化床上的结渣特性及碱金属迁移规律,并对实验中出现的床内颗粒聚团现象进行了分析。结果表明,不同存在形态的碱金属在煤气化过程中的迁移规律不同,水溶钠和醋酸铵溶钠在煤气化过程中以气态形式析出,不溶钠主要存在半焦中;随着气化温度升高,底渣和煤气中钠含量增加,飞灰中钠含量减少;尾部管道温度降低过程中,煤气中钠的冷凝速率明显高于钾;天池木垒高碱煤气化过程中容易引起床内颗粒聚团,床温越高,颗粒聚团现象越明显,床温波动越大;碱金属与灰分中矿物成分及床料中SiO₂反应生成黏性低温共熔物是导致颗粒聚团的关键。     

碱金属钾对Ni基催化剂纤维素水蒸气气化活性的影响

采用两段式催化气化方式研究了生物质热解气化过程中碱金属的挥发对Ni基催化剂活性的影响。实验结果表明,负载K盐的纤维素水蒸气催化气化过程中,K挥发后会在催化剂表面沉积,而少量K的存在和表面沉积不但能够提高镍基催化剂的抗积炭能力,而且有助于提高其催化活性,产生更多的氢气。然而纤维素中K的浓度过大,将会抑制Ni基催化剂的效果;K在催化剂上的沉积随催化剂循环次数的增加而增加,K的含量愈高,对催化剂的抑制效果愈明显,从而缩短了催化剂的使用寿命。     

微波消解-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法测生物质中的碱金属和碱土金属

为研究并解决测试生物质样品中碱金属和碱土金属含量的干扰,采用微波消解-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法对生物质中的碱金属和碱土金属钾、钙、钠、镁元素进行测定,考察了样品消解后不同的酸体系,共存元素干扰对钾、钠、钙、镁含量测定的干扰研究。经过研究表明,接近分析标准曲线酸浓度的样品干扰小,铅、铟、钛、锰元素对钠元素测定造成干扰,砷、铜、镉对钙元素测定干扰,铝对钾元素测定有干扰,镁测定不受共存元素干扰影响,运用干扰系数法可以减少共存元素对测定元素的误差。各待测元素标准曲线相关系数大于0.9996,检出限为0.0014~0.023 mg/L,玉米芯各元素的相对标准偏差为0.98%~1.9%,加标回收率为80.2%~106%;西瓜皮的各元素相对标准偏差为0.91%~2.3%,加标回收率为85.3%~106%。方法用于测定国家标准物质GBW07603,各元素结果均在标准值参考范围内。方法用于测定生物质中碱金属和碱土金属的结果,用t检验法与离子色谱测定值进行比对,结果无显著性差异。     

碱金属掺杂的石墨相氮化碳在可见光光催化制氢中的比较研究(英文)

利用半导体光催化技术将太阳能转化为清洁化学能源是解决能源危机和环境问题的最有潜力的途径之一.过去几十年,许多半导体包括氧化物、硫化物和氮化物均表现出光催化活性.然而,半导体光催化的实际应用仍然受制于其较低的太阳能转化效率.解决上述问题的方法之一是发展高效的可见光光催化制氢材料.近年来,石墨相氮化碳(g-C_3N_4)作为一种聚合物半导体材料,受到了光催化研究人员的广泛关注.g-C_3N_4具有可见光吸收能力、合适的导带价带位置、良好的热稳定性和化学稳定性,且制备方法简单和结构易调控,是一种极具潜力的光催化制氢材料.然而g-C_3N_4仍然仅能吸收波长450 nm以下的光,且其光生电子和空穴极易复合,因而光催化制氢效率较低.目前,研究人员采用了多种改性方法来增强g-C_3N_4的光催化性能,其中通过元素掺杂进行能带结构调控是一种非常有效的策略.而碱金属原子(Li,Na和K)被认为可有效进入g-C_3N_4的内部结构,通过引入缺陷来拓宽g-C_3N_4的光吸收范围和提高光生电荷的分离效率.不过到目前为止,尚未见系统的比较研究来深入理解不同碱金属元素掺杂的g-C_3N_4在可见光光催化制氢中的性能差异.本文采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附测试、紫外可见漫反射光谱(UV-visDRS)、时间分辨荧光光谱(TRPL)、X射线光电子能谱(XPS)、光电化学测试和光催化制氢测试等表征和测试手段比较研究了不同碱金属元素掺杂的g-C_3N_4在结构、光学性质、能带结构、电荷转移能力和光催化性能等方面的差异.XRD结果表明,碱金属掺杂可导致g-C_3N_4的层间距离增大,且碱金属原子半径越大,g-C_3N_4的层间距离越大.氮气吸附-脱附测试结果表明,碱金属掺杂可提高g-C_3N_4的比表面积,其中Na掺杂的最高.UV-vis DRS和XPS谱结果表明,依Li,Na,K的顺序,碱金属掺杂导致g-C_3N_4带隙逐渐变窄,使得可见光吸收能力逐渐增强,且其导带和价带位置逐渐下移.TRPL和光电化学测试结果显示,碱金属掺杂有效抑制了g-C_3N_4的光生载流子复合和促进了光生载流子的转移,其中Na掺杂的g-C_3N_4的光生载流子利用效率最高.可见光光催化制氢实验表明,碱金属掺杂显著提升了g-C_3N_4的光催化性能,其中以Na掺杂的g-C_3N_4性能最佳,其产氢速率(18.7mmol h–1)较纯的g-C_3N_4(5.0mmol h–1)可提高至3.7倍.由此可见,g-C_3N_4的掺杂改性是一个对其微结构和能带结构的优化调控过程,最终获得最优的光催化性能.     

碱金属原子价电子轨道贯穿概率的估算

根据玻尔理论和碱金属原子光谱项量子数亏损的实验数据,按照物理量的加权平均计算方法,推导出估算碱金属原子价电子轨道贯穿概率的计算公式.     

Calculations on polarization properties of alkali metal atoms using Dirac–Fock plus core polarization method

A semi-empirical atomic structure model method is developed in the framework of a relativistic case. This method starts from Dirac-Fock calculations using B-spline basis set. The core-valence electron correction is then treated in a semiempirical core polarization potential. As an application, the polarization properties of alkali metal atoms, including the static polarizabilities and long-range two-body dispersion coefficients, have been calculated. Our results are in good agreement with the results obtained from ab initio relativistic many-body perturbation method and the available experimental measurements.