【2018年第四期】單分散Co3O4@SiO2核殼催化劑的製備及N2O催化分解性能

2021-03-01 化工學報

一氧化二氮(N2O)是一種重要的大氣汙染物,主要來源於硝酸/己二酸化工生產、化石燃料燃燒、機動車尾氣排放等過程,其增溫潛熱是CO2 的310 倍、CH4的21 倍。1997 年通過的《京都議定書》中明確將N2O歸為一類溫室氣體,2015年《巴黎協定》進一步將上述溫室氣體的減排納入了統一的法律約束框架。同時,N2O作為一種氮氧化物,在平流層中經太陽紫外線作用可與O3發生反應,引發臭氧層空洞。據統計,目前N2O 在大氣中的濃度正以每年0.2%~0.3%的速率上漲,對人類生存環境造成極大危害。控制N2O 的排放對保護人類生存環境具有重要的現實意義。目前報導的N2O消除方法主要有熱分解法、選擇性吸附法和直接催化分解法3種,其中直接催化分解法被認為是最經濟有效且綠色環保的方法之一。

N2O直接催化分解反應採用的催化劑包括分子篩催化劑、貴金屬催化劑及金屬氧化物催化劑。分子篩催化劑是一類矽鋁酸鹽結晶體,多數採用離子交換法基於過渡金屬(Fe、Co、Ni、Cu、Mn、Rh、Pd等)而製備,此類催化劑具有優良的低溫活性,且對雜質氣體(如NO、O2)有強耐受性,但水熱穩定性差,其活性容易受到水汽的影響;貴金屬催化劑的活性高且在水汽存在的條件下依然能夠保持較高的N2O分解性能,但其成本高、活性窗口較窄等自身缺陷限制了這類催化劑的應用範圍;金屬氧化物由於成本低廉,環境友好,製備方法簡單易行,組成易於調變,且具有較高的催化活性與水熱穩定性,受到科研工作者的青睞,其中含鈷的氧化物(Co3O4)在催化N2O分解反應中具有較好的中低溫活性。目前研究較多的是以Al2O3、SiO2為載體的負載型鈷基催化劑,但負載催化劑有一個缺點,即活性金屬氧化物與載體的相互作用能力較弱,在長周期高溫反應中活性金屬氧化物納米顆粒易於脫離載體並相互團聚、燒結進而引起失活。

最近,由於核殼材料特有的內核錨定特性,使其成為催化領域的研究熱點,並廣泛應用於F-T合成、甲烷重整、光催化降解、選擇性氧化等催化反應,表現出優異的反應性能。但是目前對該材料在N2O直接催化分解反應中的應用還未見報導。若將該類包覆材料引入N2O直接催化分解反應,利用核殼殼層對活性內核包覆所形成的特有結構穩定性和限域特性,有望大幅提高活性金屬氧化物納米顆粒的金屬分散性與抗燒結能力,改善催化劑活性與穩定性,具有很好的研究前景。

本工作通過一種溫和的改進Stöber法製備出系列單分散核殼結構Co3O4@SiO2納米催化劑,對比研究了其與普通負載型催化劑的N2O直接催化分解性能差異,進而探討核殼結構對N2O分解反應的作用形式。

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