过渡金属修饰Fe2O3/Al2O3氧载体的Redox性能研究

采用冷冻干燥法分别制备了经Cu、Co、Mn、Ni修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体。利用化学吸附仪,通过程序升温还原(H₂-TPR)和程序升温氧化(TPO)来研究经不同过渡金属修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃与H₂和O₂的反应性能。实验发现,在Fe₂O₃/Al₂O₃中加入Cu、Co、Ni以后,氧载体与H₂的反应性都有提高,但是当在Fe₂O₃/Al₂O₃中加入Mn以后,氧载体的反应性和载氧能力反而下降。经Cu修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃与H₂的反应性最高,且具有很好的反应稳定性,适合用于化学链燃烧。     

Cu修饰的Fe_2O_3/Al_2O_3氧载体的循环反应稳定性研究

采用冷冻干燥法制备了经Cu修饰(10%)的Fe2O3/Al2O3氧载体。利用热重分析仪分别在850、900和950℃等温环境下,使氧载体交替接触还原气体和氧化气体,来模拟氧载体在化学链燃烧中的循环过程。结果表明,经Cu修饰的Fe2O3/Al2O3氧载体在850和900℃下的等温循环过程中反应性能都很稳定,在950℃时的循环反应前期有微量烧结,但在循环后期反应性能也很稳定。随着反应温度的升高,氧载体氧化速率增大,还原速率和载氧率先减小后增大。与未经修饰的Fe2O3/Al2O3氧载体相比较,在900℃下作等温循环实验,经Cu修饰的Fe2O3/Al2O3氧载体具有较高的载氧能力和还原速率,但氧化速率较低;两者都具有较好的循环稳定性。     

Fe2O3/Al2O3氧载体用于甲烷化学链燃烧：负载量与制备方法的影响

以不同方法制备了系列Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体,采用XRD、H₂-TPR、CH₄-TPR、O₂-TPD和BET等分析技术对氧载体进行了表征。研究了不同Fe₂O₃负载量氧载体的甲烷化学链燃烧性能,考察了不同制备方法对Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体结构、反应性和产物选择性的影响。结果表明,Fe₂O₃负载量对氧载体活性及产物中CO₂选择性的影响较大,负载量较低时氧载体活性较低且引起甲烷部分氧化产物CO含量增加。制备方法亦对氧载体与甲烷的反应活性有所影响,整体上共沉淀法制备的质量分数60％Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体具有较高的氧化活性和化学链循环稳定性。其在反应温度850℃、反应时间15 min、30次循环后甲烷转化率及产物中CO₂选择性均未见明显降低。     

煤化学链燃烧Fe2O3载氧体的反应性研究

利用流化床反应器并以水蒸气作为气化-流化介质,研究了温度、反应时间、循环数对Fe₂O₃载氧体反应性的影响。实验表明,载氧体与煤气化产物的反应性随温度升高而增强,且温度越高,反应受化学反应控制时间越短。当温度高于900℃时,煤中碳转化为CO₂的比率大于90%,载氧体体现了很好的反应性,但反应温度低于850℃时,比率小于75%。反应温度900℃时,CO₂干基浓度随循环数而逐渐降低,CO、CH₄浓度增加,且CH₄浓度值大于CO。利用XRD、SEM分析了固体反应产物成分与微观形态结构。分析表明,Fe₂O₃的还原产物为Fe₃O₄,载氧体颗粒随循环数增加而逐渐烧结。     

化学链制氢中Fe2O3/LaFeO3载氧体的性能研究

采用柠檬酸络合法制备Fe₂O₃/LaFeO₃复合氧化物,将该氧化物作为化学链制氢过程的载氧体,在反应温度为900 ℃、常压下,对Fe₂O₃/CH₄（剂烷比）、进水量、金属负载量进行了考察。结果表明,剂烷比为2：1、进水量为0.1 mL、质量分数15%Fe时载氧体性能最好,甲烷转化率达到60%,单次循环氢气产量为45 mL。将该评价结果与XRD和H₂-TPR表征结果进行关联发现,反应过程的活性位不是金属氧化物,而是吸附氧,而且吸附氧越容易还原,甲烷转化率和氢气产量越高。通过连续60次还原-氧化循环发现,该载氧体上甲烷转化率和氢气产量比较稳定,循环后仍然保持钙钛矿结构。     

Fe2O3/Al2O3氧载体制备方法的研究

采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热合成法、低热固相合成法、机械混合法、燃烧合成法和冷冻成粒法制备铁基氧载体Fe₂O₃/Al₂O₃,并通过物理和化学表征手段来筛选和优化制备方法和制备工艺。对煅烧后的氧载体进行硬度测试,结果表明,溶胶-凝胶法、共沉淀法、机械混合法、燃烧合成法和冷冻成粒法制备的氧载体硬度较高;载体的X射线衍射(XRD)谱图表明,各种制备方法均能制得物相组成为Fe₂O₃/Al₂O₃的氧载体,且随着煅烧温度的提高、煅烧时间的延长,氧载体的结晶度、晶体粒径逐渐增大,煅烧温度1 200℃的氧载体的机械性能、晶体结构、晶相组成更稳定。借助化学吸附仪的程序升温还原(TPR)实验表征氧载体的反应活性,并计算氧载体活性度。综合物理和化学表征实验结果表明,最优制备方法为溶胶-凝胶法和冷冻成粒法。     

丙烷在Ce-Fe/Al2O3/cordierite上选择性催化还原NO

利用凝胶溶胶法和浸渍法制备了Ce-Fe/Al₂O₃/cordierite催化剂,实验研究了其催化丙烷选择性还原NO的特性。结果表明,当铈的负载量从1%增加至5%时,Ce-Fe/Al₂O₃/cordierite的C₃H₈-SCR性能先增强后减弱,3.5Ce-Fe/Al₂O₃/cordierite具有最佳的脱硝性能,在有氧条件下,600℃时可实现96.5%的脱硝效率。Ce的加入能够提升Fe/Al₂O₃/cordierite催化剂的抗硫性能。烟气中通入0.02%的SO₂后,3.5Ce-Fe/Al₂O₃/cordierite催化丙烷还原NO的转化率始终维持在93%,而没有经过Ce修饰的Fe/Al₂O₃/cordierite的NO转化率从88%下降为80%左右。利用XRD、N₂吸附-脱附、SEM、H₂-TPR、吡啶吸附红外光谱等手段研究了催化剂的物理化学性质。结果表明,加入助剂铈能与Fe形成了固溶体,增加催化剂表面Lewis酸浓度和氧化还原能力,从而提高了催化丙烷还原NO的性能。过多的铈引入会减少Fe₂O₃结晶体的形成,不利于在C₃H₈-SCR反应中形成NO₂/NO₃^-物种,从而导致NO还原效率下降。     

Ni/Al2O3改性催化剂催化重整生物油模拟物制氢研究

制备了Ni/Al₂O₃、Ni-Cu/Al₂O₃、Ni-Co/Al₂O₃和Ni-Co-Cu/Al₂O₃催化剂,研究了Co和Cu对生物油水蒸气催化重整的影响。实验表明,Co 能促进水汽变换(WGS)反应,提高氢气的产率,Cu能抑制反应中焦炭的形成,提高催化剂的稳定性。对催化剂Ni-Co-Cu/Al₂O₃进行工艺条件考察,当900 ℃、水油比为6 g/g、质量空速(WHSV)为1 h^-1时,碳选择性达到87.5%,氢气产率达到84.2%,潜在氢气产率达到92.4%。     

CeO2/Co3O4氧载体的制备及其甲烷化学链燃烧性能研究

制备了系列甲烷化学链燃烧用CeO₂/Co₃O₄复合氧载体,采用XRD、H₂-TPR、甲烷程序升温和恒温反应对氧载体进行了表征与评价。研究了不同CeO₂的负载量对复合氧载体的结构、氧化还原性、产物选择性的影响。结果表明,氧化铈的添加不仅降低了氧载体的初始反应温度,还延长了有效反应时间,但铈添加量过高会降低产物CO₂选择性,使甲烷向部分氧化进行。CeO₂(30%)/Co₃O₄氧载体在650 ℃经20次循环后甲烷转化率和CO₂选择性均未明显降低,表现出较高的活性和化学链循环稳定性。     

碱土Sr对Co/Al2O3催化剂甲烷部分氧化反应的影响

以γ-Al₂O₃为载体,采用共浸渍法制备了Sr-Co/Al₂O₃系列催化剂,研究了助剂Sr对Co/Al₂O₃催化剂上甲烷部分氧化(POM)制合成气反应的影响,并利用N₂物理吸附、X射线衍射、H₂-程序升温还原和热重等技术对催化剂的理化性质进行了表征。结果表明,未添加助剂的Co/Al₂O₃和800℃焙烧的Sr-Co/Al₂O₃催化剂在POM反应初期催化活性很低,然而,当添加Sr的质量分数高于2%时,催化剂表现出很好的催化活性和稳定性。焙烧后的新鲜催化剂上主要存在两类Co物种,一类是与载体相互作用较弱、易被H₂还原为单质的Co₃O₄;另一类是与载体相互作用较强、难还原、无催化活性的CoAl₂O₄尖晶石。在焙烧过程中,Sr易形成Sr₄Al₁₄O₂₅,从而削弱Co与Al₂O₃之间的相互作用,能在一定程度上抑制CoAl₂O₄物种的形成,提高催化剂的稳定性和活性。未添加Sr的Co/Al₂O₃在反应时易发生物相改变生成尖晶石,导致催化剂迅速失活;但当焙烧温度达到800℃时,添加有限量的Sr还是无法阻止CoAl₂O₄的产生。     

Fe2O3/ATP载氧体制备及煤化学链燃烧性能研究

以天然凹凸棒(ATP)为载体,分别利用机械混合法、浸渍法和溶胶-凝胶法制备了3种铁基复合载氧体。利用X射线衍射(XRD)、能谱(EDS)、N₂-吸附脱附等温线等对其进行物化表征,并在900 ℃流化床中考察其煤化学链燃烧反应性能。结果表明,ATP能显著增加载氧体比表面积和抗磨损能力,并对煤转化过程有催化作用,其与Fe₂O₃的协同作用使初始碳转化速率显著提高。溶胶-凝胶法制备的U-Fe4ATP6表面Ca元素含量为4.3%,比表面积为4.920 7 m²/g,均高于其他两种载氧体,表现出更高的催化性能和反应活性:初始碳转化速率为0.168 min^-1,平均CO₂浓度为98.6%,燃烧效率为98.7%。20次反应后,U-Fe4ATP6催化性能略有降低,对应的初始碳转化速率降至0.108 min^-1,停留时间t₉₅延长到18 min;且能维持较高的反应活性,对应的CO₂捕集效率和燃烧效率分别稳定在98.6%和96.7%。     

金属氧化物吸附剂干法脱除气相As2O3实验研究

利用自制As₂O₃连续发生装置,在固定床反应器上研究了金属氧化物CaO、Fe₂O₃、Al₂O₃对煤燃烧高温烟气中气相砷的吸附特性。600~900 ℃温度的吸附实验结果表明,金属氧化物CaO、Fe₂O₃吸附剂对气相As₂O₃的吸附以化学吸附为主,随着吸附温度的升高,吸附量与吸附效率逐渐减小;3种金属氧化物的气相固砷能力依次为Fe₂O₃ >CaO >Al₂O₃;研究了气相砷浓度对吸附剂固砷量的影响特性,当气相砷体积浓度在4.5×10^-6~13.5×10^-6变化时,不会有吸附饱和的现象发生,当吸附剂种类一定时,吸附效率仅与吸附温度有关,对于不同气相砷浓度保持相同的吸附温度可以获得相同的吸附效率。     

K2CO3修饰的铁锆复合氧载体-煤焦化学链气化制氢反应特性研究

以K₂CO₃修饰的Fe₂O₃和ZrO₂复合型氧化物为氧载体(K3-Fe70Zr30),在固定床装置上考察了温度和原料配比对煤焦化学链制氢过程中产气率及组成的影响。程序升温实验结果表明,煤焦与氧载体500 ℃时开始反应,温度高于750 ℃时反应速率快速增大;而还原态氧载体与水蒸气400 ℃时开始反应,当温度高于500 ℃时出口氢气浓度明显增大。恒温实验表明,随温度升高,产品气中CO/CO₂体积比增大,导致产氢量降低。随煤焦与氧载体比例增加,产品气体中CO/CO₂体积比增加,而产氢量先增大后降低,其最大值可达1.734 L/g。K3-Fe70Zr30氧载体在前两次循环能维持良好的反应活性,但在第3次循环反应中活性降低,而重新添加K₂CO₃之后氧载体活性恢复,表明氧载体活性降低主要是由于K₂CO₃的流失所致。     

制备方法对Fe2O3/Al2O3-ZrO2在乙苯脱氢反应中催化性能的影响

为提高含铁催化剂的脱氢活性,采用浸渍法和一步沉淀法制备了Fe、Al和Zr含量相同的F4AZ10-imp和F4AZ10-pre催化剂,在550 ℃考察了其在乙苯CO₂氧化脱氢制苯乙烯反应过程中的催化性能,并结合XRD、N₂-吸附、NH₃-TPD、CO₂-TPD和H₂-TPR等表征手段对催化剂进行了分析。结果表明,与浸渍法相比,一步沉淀法制备的催化剂更有利于活性组分Fe₂O₃在催化剂表面的分散及反应物CO₂的转化。     

煅烧温度对Mn改性γ-Fe2O3催化剂结构及低温SCR脱硝活性的影响

采用共沉淀法,在不同煅烧温度下制备一系列Mn改性γ-Fe₂O₃催化剂(Fe_0.7Mn_0.3O_z),研究了煅烧温度对Fe_0.7Mn_0.3O_z催化剂低温SCR脱硝活性的影响,并借助XRD、N₂吸附-脱附、EDS及SEM等手段对催化剂进行表征。结果表明,350 ℃煅烧所得Fe_0.7Mn_0.3O_z催化剂的低温SCR活性最佳,在70 ℃时取得92%的NO_x转化率,100~200 ℃可维持100%的NO_x转化率,而450 ℃煅烧所得催化剂的低温SCR活性最低;煅烧温度为350 ℃时,催化剂具有最大的比表面积和比孔容、发达的孔隙结构及适当结晶度的γ-Fe₂O₃,而煅烧温度为400或450 ℃时,催化剂发生烧结且有α-Fe₂O₃生成,不利于低温SCR反应的进行,因此,Fe_0.7Mn_0.3O_z催化剂的最佳煅烧温度为350 ℃。     

Characterization and evaluation of Fe2O3/Al2O3 oxygen carrier prepared by sol–gel combustion synthesis

The sol-gel combustion synthesis (SGCS) for oxygen carrier (OC) to be used in chemical looping combustion (CLC) was first designed and experimented in this work, which is a new method of OC synthesis by combining sol-gel technique and solution combustion synthesis. Cheap hydrated metal nitrates and urea were adopted as precursors to prepare Fe₂O₃/Al₂O₃ OC at the molar ratio to unity (Fe1Al1), which was characterized through various means, including Fourier transforms infrared (FTIR) spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), differential thermal analysis (DTA), X-ray diffractor (XRD), and N₂ isothermal adsorption/desorption method. FTIR analysis on the chemical structure of the dried gel of Fe1Al1 indicated that urea was partly hydrolyzed and the hydrated basic carbonate was formed by the combination of groups such as (Fe(_1−yAl_y)_1−xO_1−3x, CO₃²⁻ and -OH-. By analyzing the staged products during SGCS, calcination was found as a necessary step to produce Fe₂O₃/Al₂O₃ OC with separate phases of α-Fe₂O₃ and α-Al₂O₃. Through TGA-DTA, the decomposition of the dried gel was found to undergo five stages. The analysis of the evolved gases from the gel decomposition using FTIR partially confirmed the staged decomposition and assisted a better understanding of the mechanism of SGCS. XRD identification further substantiated the necessity of calcination to synthesize Fe₂O₃/Al₂O₃ OC with separate phases of α-Fe₂O₃ and α-Al₂O₃, though it was not necessary for the synthesis of single phase α-Fe₂O₃ and α-Al₂O₃. Structural characterization performed on N₂ adsorption analyzer displayed that the pore shape of Fe1Al1 particles was heterogeneous. Finally, H₂ temperature-programmed reduction (TPR) of Fe1Al1 products in TGA indicated that the reduction reaction of Fe1Al1 OC after calcination was a single step reaction from α-Fe₂O₃ to Fe, and calcination benefited to improve the transfer rate of the lattice oxygen from the OC to fuel H₂. Furthermore, four times of reduction and oxidization (redox) reaction by alternating with H₂ and air demonstrated the synthesized OC had good reactivity and sintering-resistance, much suitable to be used in the realistic CLC. Overall, the SGCS method was found superior to other existent methods to prepare Fe₂O₃/Al₂O₃ OC for CLC application.     

超声改性的CuO/Al2O3-MgO催化剂结构 及其超低浓度甲烷催化燃烧性能

采用普通浸渍和超声改性的方法分别制备了CuO/Al₂O₃-MgO催化剂,用于超低浓度甲烷的催化燃烧,并利用SEM、XRD、XPS、H₂-TPR等技术对催化剂进行表征,研究了超声改性作用对催化剂的结构和性能的影响.结果表明,与普通浸渍法制备的催化剂相比,在超声改性的CuO/Al₂O₃-MgO催化剂上,甲烷的转化率得到提高,燃烧特征温度降低.随着超声时间的延长和超声功率的增加,催化剂的催化活性均呈现先增大后减小的趋势;催化剂制备的最佳超声工况为功率150 W、时间20 min.超声改性可使催化剂的比表面积和孔容积增大,表面催化活性较高的Cu⁺浓度增加,活性组分CuO由晶相向非晶相转变、分散度增大,晶粒粒径变小、分布更均匀;这使得甲烷催化燃烧的表观活化能下降、催化剂活性得到增强.     

The Al2O3-Fe2O3 Mixed Oxidic System, II. Catalytic Decomposition of N2O

N₂O decomposition was examined over a series of Al₂O₃-Fe₂O₃ mixed oxidic solids with composition ranging from 0 to 100% of Fe₂O₃. The catalytic activity of the solids runs parallel to the number of atoms of iron in the Al_2−x Fe_xO₃ solid solution phase. Two compensation effects are present. The first corresponds to catalysts rich in alumina, and the second one to catalysts rich in hematite. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

Ag/PANI/Fe_2O_3复合纳米粒子的合成与催化性能

借助于PANI的还原性质,PANI/Fe2O3复合载体与AgNO3发生表面氧化还原反应,合成了Ag/PANI/Fe2O3复合纳米粒子。TEM和XRD结果表明,立方晶系纳米银的平均粒径10nm。FTIR结果表明,Ag与PANI及Fe2O3复合载体之间不存在化学键合作用,但由于PANI与Ag之间的电子相互作用,Ag/PANI/Fe2O3复合纳米粒子的FTIR吸收峰发生蓝移。Ag/PANI/Fe2O3复合纳米粒子对于间硝基苯磺酸钠的硼氢化钠还原反应表现出良好的催化活性,30min内间硝基苯磺酸钠的转化率达到86.77%。