显化反应条件视角 发展反应调控意识——受控的燃烧

以波义耳研究燃烧的史实为背景,创新设计燃烧条件的探究实验,并提出“条件叠加式”燃烧条件探究新思路。以“燃灭控”为主线,一以贯之地显性化“条件是认识化学反应的一种基本视角”,落实“在一定条件下通过化学反应可以实现物质转化”的化学观念。基于调控化学反应思想创新设计“燃旺弱灭”反应控制视域,统整开展“情境”“活动”与“任务”三位一体的学习活动。重置教材实验的教学价值取向,结合燃烧的形式美、汉语言文字解读,将化学学科知识与美育、汉语言文化领域跨领域融合。     

松散接触下 Au-Ce强相互作用对 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂催化柴油炭烟燃烧活性的影响

与汽油发动机相比,柴油发动机具有热效率高、CO2排放低、寿命长、续航距离远和经济性好等优点,可大大缓解能源短缺,降低 CO2排放量.因此,机动车柴油化是当前发展趋势.然而,柴油发动机在使用过程中会排放大量炭烟颗粒物,对人体危害极大.因此,控制炭烟颗粒排放成为环境催化研究的重点之一.
　　炭烟颗粒物催化燃烧反应是典型的固(炭烟颗粒)-固(催化剂)-气(O2)多相催化反应.三维有序大孔氧化物(3DOM)具有大孔径和内部贯通的孔道结构,能有效提高炭烟颗粒与催化活性中心的接触性能.同时,纳米 Au颗粒在大孔氧化物表面的负载可有效提高催化剂本征活性,但纳米 Au颗粒催化剂热稳定性较差. CeO2具有较好的储放氧性能,可与贵金属活性组分发生相互作用,从而提高贵金属纳米颗粒的分散度和稳定性.因此,本文从柴油炭烟颗粒物催化燃烧反应本质出发,设计制备了高炭烟燃烧催化活性的3DOM氧化物担载 Au基催化剂,研究了 Au与 CeO2强相互作用对炭烟燃烧活性的影响.
　　采用胶体晶体模板法制备3DOM Al2O3载体,由微孔膜氨沉淀法制备 CeO2/3DOM Al2O3催化剂,以还原-沉积法制备 Au/3DOM Al2O3和 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂,并利用扫描电镜、N2物理吸附-脱附、X射线衍射、透射电镜、紫外漫反射光谱、H2程序升温还原和 X射线光电子能谱等手段对催化剂形貌、比表面积、物理化学性质和氧化还原性进行了表征.结果表明,在 CeO2/3DOM Al2O3中, Al3+可进入到氧化铈晶格内,形成 Al-Ce-O固溶体,产生氧空位,这有利于氧物种转移.此外, Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂中 Au和 CeO2之间的强相互作用能增加 Au纳米颗粒表面活性氧物种数量,从而促进柴油炭烟燃烧反应.纳米颗粒 Au的担载使得催化柴油炭烟燃烧的起燃温度明显降低,其中 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂表现出最高的催化活性,T10,T50和T90分别为273,364和412oC.     

载体模板效应对氧化钯的热化学行为及其甲烷燃烧稳定性的影响

通过对PdO活性组分在单斜与四方型氧化锆载体上的热化学性质和催化活性进行比较性的研究显示, 单斜型ZrO₂的表面原子能够满足与PdO的结构适应性匹配条件, 它可以通过界面原子的取向附生作用对表面PdO物种聚集形态进行调控, 从而促进PdO组分在单位载体表面上的分散. 此外, 升降温循环过程的DTG分析还表明, 单斜载体模板在反复的氧化还原循环中逐渐将结晶型PdO加工成取向附生型PdO, 不断改善PdO物种的氧迁移性质, 促进了热还原钯物种在高温区的氧化再生. 这两种载体效应有效地抑制了甲烷燃烧反应在高温区的活性振荡, 增加了燃烧的稳定性与催化剂的反应耐受性. 四方ZrO₂晶相在载体内的掺杂将导致上述的载体效应受到明显抑制.     

超微粒La-Co氧化物催化剂对柴油机尾气碳黑催化燃烧性能的研究

用有机酸络合法制备了Co3O4，NiCo2O4和LaCo2O43种催化剂。通过程序升温氧化反应(TPO)技术对这3种催化剂进行模拟柴油碳黑催化燃烧反应的活性评价。研究发现以Co3O4为活性成分的催化剂能显著降低碳黑燃烧的温度。以Ni和La部分取代Co3O4后形成的复合氧化物NiCo2O4和混合氧化物LaCo2O4能改进Co3O4的氧化活性。但是NiCo2O4不能改进碳黑在松散接触时的燃烧活性；而混合氧化物LaCo2O4由于形成了超微粒含缺陷的LaCoO3钙钛矿型结构，它具有良好的低温氧化活性和表面原子移动性，因而能显著改进碳黑在松散接触时的燃烧活性。     

OMS-2/堇青石整体式催化剂的制备及其对二甲醚燃烧的催化性能

 以有机物为粘合剂, 采用涂覆法制备了氧化锰八面体分子筛 (OMS-2)/堇青石整体式催化剂, 采用热重-差热分析、扫描电镜、X 射线衍射、H2 程序升温还原和 O2 程序升温脱附等技术对催化剂进行了表征, 考察了有机粘合剂种类及其用量对二甲醚 (DME) 催化燃烧性能的影响. 结果表明, 在有机粘合剂聚乙烯醇 1799 (其质量含量为 3%) 的作用下, OMS-2 以相互交织的簇体均匀分布于堇青石表面, 且粘附力较强, 制备的整体式催化剂在 DME 催化燃烧中表现出最优的催化性能, 起燃温度 T10 = 169 oC, 完全转化温度 T90 = 243 oC; 催化剂使用后再经高温焙烧其活性仍能保持稳定, 表现出较高的重复使用性.     

Co0.2/Ce1-xZrxO2催化剂的制备、表征及其催化碳烟燃烧反应性能

 采用微孔扩散-共沉淀法制备了不同 Ce/Zr 摩尔比的 Ce1-xZrxO2 (x = 0, 0.2, 0.4, 0.5) 固溶体, 并以此为载体用超声波助分散等体积浸渍法制备了 Co0.2/Ce1-xZrxO2 催化剂, 考察了催化剂中 Ce/Zr 比对其催化柴油车尾气碳烟颗粒物燃烧反应性能的影响. 结果表明, 在催化剂与碳烟颗粒松散接触条件下, Co0.2/Ce1-xZrxO2 催化剂催化碳烟颗粒物燃烧的活性非常高. 其中 Co0.2/Ce0.8Zr0.2O2 催化剂活性最高, T10, T50, T90 和 SmCO2 分别为 316 oC, 385 oC, 413 oC 和 99.9%. 这与目前文献报道的松散接触条件下活性最高的担载 Pt 催化剂相近. 应用 X 射线衍射、透射电镜、扫描电镜、紫外-可见漫反射和傅里叶变换红外光谱技术对 Ce1-xZrxO2 固溶体及 Co0.2/Ce1-xZrxO2 催化剂进行了表征. 结果表明, Ce1-xZrxO2 固溶体由纳米级小颗粒组成 (平均粒径在 10 nm 左右). 适量的 Ce/Zr 比有利于改善立方尖晶石型 Co3O4 在 Ce1-xZrxO2 固溶体表面的分散, 从而提高催化剂活性. 程序升温还原结果表明, Co0.2/Ce0.8Zr0.2O2 催化剂具有最优的低温还原特性, 与它具有最高的催化活性相一致.     

Modified Ceria-Zirconia Fluorite-Like Catalysts for the Combustion of Methane

For dispersed ceria-zirconia-based solid solutions prepared via the polymerized complex method and annealed at 700℃, effects of bulk doping by Ca, Mn, Co, Bi or Nb cations and surface modification by Mn and Pt on their structural features, surface/bulk oxygen reactivity and catalytic activity in methane combustion are considered. With up to 20 mol% doping, a structural type of homogeneous solid solutions of anion-deficient fluorite with disordered anion vacancies is formed. Doping by transition metal cations or Pt increases the mobility and reactivity of the surface/bulk oxygen. A broad variation in specific rates of methane combustion for the studied systems was observed, suggesting structural sensitivity of this reaction. In general, there is no universal relationship between the oxygen mobility, the reactivity and the catalytic activity in methane combustion, which is explained by the factor of specific methane activation on surface active sites. For the Pt-promoted samples, Pt efficiency in methane activation depends on the Pt-support interaction, and the most favorable ones being mixed Pt/MnOx and Pt/NbOx clusters on the surface of the supports that exhibit high lattice oxygen mobilities.     

Non-isothermal kinetics of styrene-butadiene-styrene asphalt combustion

The combustion characteristics of styrene-butadiene-styrene （SBS） asphalt are studied by thermogravimetric analysis （TG/DTG） at four different heating rates. According to the saturates/aromatics/resins/asphaltenes （SARA） fractionation method, the combustion process of SBS asphalt can be divided by Gaussian peak fitting into three main stages： oil content release, resin pyrolysis, and asphaltene and char combustion. When the heating rate increases, the mass losses of the oil content and resin pyrolysis increase, and less asphaltenes are formed at a higher temperature. The activation energy values are calculated by the Coats-Redfern method to be in the range 61.6 kJ/mol-142.9 kJ/mol. The Popescu method is used for the kinetic analysis, and the result shows that the three stages of asphalt combustion can be explained by the sphere phase boundary reaction model, the second order chemical reaction model, nucleation, and its subsequent growth model, respectively.     

基于红外光谱研究沥青燃烧机理和有害气体成分分析

利用Rosemount气体分析仪和定碳炉搭建起固定床燃烧反应试验平台,通过红外光谱分析技术定量分析沥青及其胶浆在高升温速率条件下燃烧反应的有毒气态产物成分、及其释放规律。研究表明,在高升温速率、近等温条件下,沥青及胶浆的燃烧过程可近似分为活泼挥发组分析出燃烧、二次挥发析出结合残炭燃烧两个阶段,其主要气态产物为CO₂,CO,NO,NO₂及SO₂。沥青材料中活泼挥发组分含量是影响燃烧气态产物释放规律的关键因素之一,减少沥青材料中活泼挥发组分的含量可有效降低燃烧气态产物的生成、尤其是CO的产生。     

燃烧剂对燃烧法合成CeO_2纳米粉体的影响

通过燃料-硝酸盐低温燃烧法合成了纳米二氧化铈粉体.考察了新型燃烧剂甘油和甘露醇对二氧化铈纳米粉体的影响,通过TG-DTA对凝胶的分解特性进行了分析,并利用XRD、氮气吸脱附和SEM对粉体的性能进行了表征.结果表明:使用甘露醇制备的CeO2晶粒较小(10.1 nm),比表面积较大(87.1 m2·g-1).