鐵基復合氧化物氧空位性質對甲烷燃燒反應催化作用的研究.pdf

1、天然氣(主要成分是CH4)是一種環境友好型化石燃料,與其他化石燃料,如煤、石油相比,在產生相同熱能條件下釋放更少的二氧化碳。在實際工業應用中,常規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,且不可避免地產生一定量的CO、CHx和NOx等氣體。而甲烷催化燃燒技術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境污染物的排放。近三十年來,人們對甲烷催化燃燒技術進行了大量、持續的研究。
　　目前甲烷催化燃燒技術研究主要集中

2、在高溫穩定性甲烷燃燒催化劑的開發及其甲烷催化燃燒機理的認識。本論文的研究內容是以Co-O、Fe-O八面體為結構單元的復合氧化物為模型氧化物,探索這些物質結構中氧的非化學計量性質與甲烷催化燃燒性能的關系。運用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構、粒徑和晶胞參數、樣品表面微觀形貌、催化劑表面物理化學性質、氧交換性能、比表面積進行了表征;以甲烷催化燃燒反應為探針反應,在固定床催化反應器中考察了

3、這些氧化物的催化活性,并與其物理化學性能進行了關聯。
　　本論文第一章主要介紹了甲烷催化燃燒的背景及意義、甲烷催化燃燒機理和氧空位對催化作用的認識。第二章介紹了層狀結構復合氧化物Ca3Co4O9+d的催化燃燒研究結果。通過對在不同溫度、氣氛處理的催化劑樣品的氧非化學計量進行測定,確定該氧化物含有一定數目的非化學計量氧。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、表面性質的研究表明,由于層狀結構中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合氧化物的催化行為。在中低溫區域內,這些氧化物均表現出較高的催化活性。運用XPS手段表征了NiFe2O4、ZnF

5、e2O4等小尺寸粒子對正式-反式尖晶石結構演變以及氧空位形成機制,其催化活性主要可歸因于其反式結構導致的本征氧空位及表面吸附氧物種。第四章主要研究CaFe2O4、Ca2Fe2O5兩種鈣鐵復合氧化物的催化燃燒性能。研究表明,CaFe2O4化學性質穩定,氧空位含量較少,其甲烷燃燒催化活性較低;而Ca2Fe2O5為Brownmillerite結構,具有大量有序排列的氧空位,隨著溫度升高,這些氧空位會發生有序無序轉變,同時其甲烷燃燒催化活性顯著