鐵基復(fù)合氧化物氧空位性質(zhì)對甲烷燃燒反應(yīng)催化作用的研究.pdf

1、天然氣(主要成分是CH4)是一種環(huán)境友好型化石燃料,與其他化石燃料,如煤、石油相比,在產(chǎn)生相同熱能條件下釋放更少的二氧化碳。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中,常規(guī)的甲烷火焰燃燒過程存在著燃焰溫度過高、能量損失大的問題,且不可避免地產(chǎn)生一定量的CO、CHx和NOx等氣體。而甲烷催化燃燒技術(shù)可以在提高燃燒效率與能量利用率的同時大大降低這些環(huán)境污染物的排放。近三十年來,人們對甲烷催化燃燒技術(shù)進(jìn)行了大量、持續(xù)的研究。
　　目前甲烷催化燃燒技術(shù)研究主要集中

2、在高溫穩(wěn)定性甲烷燃燒催化劑的開發(fā)及其甲烷催化燃燒機(jī)理的認(rèn)識。本論文的研究內(nèi)容是以Co-O、Fe-O八面體為結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合氧化物為模型氧化物,探索這些物質(zhì)結(jié)構(gòu)中氧的非化學(xué)計(jì)量性質(zhì)與甲烷催化燃燒性能的關(guān)系。運(yùn)用X射線衍射(XRD)、SEM、XPS、TG、BET等微觀、表面分析手段對樣品的晶體結(jié)構(gòu)、粒徑和晶胞參數(shù)、樣品表面微觀形貌、催化劑表面物理化學(xué)性質(zhì)、氧交換性能、比表面積進(jìn)行了表征;以甲烷催化燃燒反應(yīng)為探針反應(yīng),在固定床催化反應(yīng)器中考察了

3、這些氧化物的催化活性,并與其物理化學(xué)性能進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。
　　本論文第一章主要介紹了甲烷催化燃燒的背景及意義、甲烷催化燃燒機(jī)理和氧空位對催化作用的認(rèn)識。第二章介紹了層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合氧化物Ca3Co4O9+d的催化燃燒研究結(jié)果。通過對在不同溫度、氣氛處理的催化劑樣品的氧非化學(xué)計(jì)量進(jìn)行測定,確定該氧化物含有一定數(shù)目的非化學(xué)計(jì)量氧。催化活性測試表明,該化合物具有一定甲烷燃燒催化性能,但不同合成、燒結(jié)條件所制備的催化劑的催化行為差異較大;通過對其

4、微觀形貌、表面性質(zhì)的研究表明,由于層狀結(jié)構(gòu)中Ca-Co-O絕緣層的存在,不同合成方法制備的催化劑微觀組織差異造成的氧交換性能的不同,從而導(dǎo)致不同Ca3Co4O9+d催化劑的催化活性差別較大。第三章介紹了草酸共沉淀法合成的MFe2O4(M=Zn,Ni,Cu,Mn)和Co3-xFexO4(x=0,0.5,2)等系列納米鐵基尖晶石復(fù)合氧化物的催化行為。在中低溫區(qū)域內(nèi),這些氧化物均表現(xiàn)出較高的催化活性。運(yùn)用XPS手段表征了NiFe2O4、ZnF

5、e2O4等小尺寸粒子對正式-反式尖晶石結(jié)構(gòu)演變以及氧空位形成機(jī)制,其催化活性主要可歸因于其反式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的本征氧空位及表面吸附氧物種。第四章主要研究CaFe2O4、Ca2Fe2O5兩種鈣鐵復(fù)合氧化物的催化燃燒性能。研究表明,CaFe2O4化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,氧空位含量較少,其甲烷燃燒催化活性較低;而Ca2Fe2O5為Brownmillerite結(jié)構(gòu),具有大量有序排列的氧空位,隨著溫度升高,這些氧空位會發(fā)生有序無序轉(zhuǎn)變,同時其甲烷燃燒催化活性顯著