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摘要
天然气资源丰富、价格低廉,因而被广泛用作燃料.天然气的主要成分是甲烷,未燃烧完的甲烷所产生的温室效应是二氧化碳的21倍,所带来的环境问题引起越来越多的研究者关注.但甲烷是最稳定的非极性有机小分子,C–H键能高达434 k J/mol,大多数催化剂很难将其在很低的温度在完全转化.C?H键的活化解离是催化甲烷燃烧最关键的一步,而活化C–H键方式主要有两大类:(1)均裂活化机制,一般用在贵金属催化剂上;(2)异裂活化机制,往往发生在过渡金属氧化物上.比较而言,贵金属催化剂,尤其是Pd,往往具有更优异的低温催化活性,但价格昂贵,从而限制了其广泛使用.因此,开发更加高效的非贵金属催化剂用于废气中未转化的甲烷完全氧化是亟待解决的问题.含有Co和Ni的尖晶石氧化物具有良好的催化甲烷燃烧活性,有望代替贵金属催化剂,但要求在低于400°C完全转化,仍具有一定挑战.另一方面,Ni3+和Co3+哪个是活性中心,还具有一定争议.因此,我们通过水热法和共沉淀法合成一系列表面暴露不同数目的Ni3+和Co3+来探究表面高氧化态Co和Ni跟活性之间的关系.XRD和TEM结果表明,相比于水热法合成的水热法合成的发生明显的晶格收缩现象,这是由于在尖晶石体相中大量小半径Ni3+(0.053 nm)取代了大半径Co3+(0.055 nm)所致.同时还发现,水热合成的尖晶石具有多孔纳米片层结构,相比于共沉淀法合成的尖晶石具有更大的比表面积,催化活性也更高.XPS分析发现,催化甲烷燃烧的活性随着表面含量增加而提高.结合文献分析和本文的实验结果推测,表面的Ni3+和Co3+都可作为解离C?H键的活性中心.水热60小时合成的纳米片表面的数量最多,所以具有最优异的催化性能,大约在280°C甲烷转化50%.当加入10%(体积比)的水,在高空速工况下对催化活性影响不大,主要是因为长时间水热合成的尖晶石表面缺陷少,对水的吸附弱,这可通过O 1s图谱得到印证.总之,这些研究结果能够给甲烷活化和开发更加高效和低成本催化剂一些启示.
- 出版日期2018
- 单位中国科学技术大学; 中国科学院大学; 中国科学院长春应用化学研究所
