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二氧化铈纳米棒负载氧化钯及氧化锰催化剂上甲烷氯氧化反应
摘要
本文研究了二氧化铈纳米棒负载氧化钯及氧化锰催化剂对甲烷氯氧化反应的催化性能，并对反应机理进行了探讨。结果表明，二氧化铈纳米棒负载氧化钯/氧化锰催化剂具有良好的催化活性和稳定性，其最佳反应条件为反应温度为350°C，在C1H4Cl2/O2为1:1的摩尔比下反应2h，而且其催化机理以氧化钯，氧化锰为主。
关键词：二氧化铈纳米棒；氧化钯；氧化锰；甲烷氯氧化反应
Abstract
Thecatalyticperformanceofceriananorodssupportedpalladiumoxideandmanganeseoxidecatalystsonmethanechlorinationreactionwasinvestigated,andthereactionmechanismwasdiscussed.TheresultsshowedthatthecatalystofceriananorodssupportedPdO/MnO2hadgoodactivityandstability,andtheoptimumreactionconditionswereatatemperatureof350°CandamolarratioofC1H4Cl2/O2of1:1for2hours.Moreover,thecatalyticmechanismwasmainlyattributedtotheoxidationofPdOandMnO2.
Keywords:ceriananorods;palladiumoxide;manganeseoxide;methanechlorinationreaction
引言
甲烷氯氧化反应是重要的有机氯和二氧化碳的来源，被广泛应用于烯烃合成、消毒剂、火灾抑制剂等领域。目前，已经开发了多种催化体系，但其中大部分催化剂的催化活性和稳定性较差。因此，研究新型催化剂并了解其催化机理具有重要意义。
近年来，纳米材料作为一种新型材料，因其独特的物理和化学性质，受到了广泛的关注。在催化领域，纳米材料可以提高催化剂的比表面积和反应活性中心的浓度，从而改善催化性能。二氧化铈是一种重要的纳米材料，因其高比表面积和良好的氧化还原性能而被广泛应用于催化领域。氧化钯和氧化锰也是常用的催化剂成分，其氧化还原性能和催化活性也得到了广泛关注。
因此，本文选择了二氧化铈纳米棒作为载体，以氧化钯和氧化锰为成分制备其催化剂，并研究其在甲烷氯氧化反应中的催化性能和催化机理。
实验方法
1.材料制备
二氧化铈纳米棒的制备方法详见李等人的研究[1]。氧化钯/氧化锰负载催化剂是通过分步还原法制备的。首先将钯盐和锰盐依次浸渍到二氧化铈纳米棒表面，并在空气中烘干。然后在氢气中还原制备氧化钯/氧化锰负载催化剂。
2.催化试验
催化剂样品按10％的质量加入到反应釜中，然后在恒定的流量下，以不同温度进行反应。反应釜内的反应气体为C1H4Cl2和O2，摩尔比为1/1。
3.表征分析
通过BET比表面积仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜和X射线光电子能谱仪等对催化剂进行表征和分析。
结果与讨论
1.催化剂表征
催化剂的BET比表面积、透射电子显微镜和X射线衍射分析结果如图1和图2所示。表明制备的催化剂具有纳米级的颗粒大小，适合于催化反应。而X射线光电子能谱分析结果表明，制备的催化剂表面上主要是钯（PdO）和锰（MnO2）的氧化物，论证了催化剂的成分和制备方法正确。
图1.催化剂BET比表面积
图2.催化剂透射电子显微镜和X射线衍射分析
2.甲烷氯氧化反应
在不同的反应温度下，催化剂对甲烷氯氧化反应的催化性能如图3所示。可以看出，催化剂活性随反应温度的升高而增加，并在350°C达到最大值，说明350°C是该催化剂最佳反应条件。此外，随着反应时间的延长，产物收率率保持稳定，并没有显著变化，表明该催化剂在反应后具有很好的稳定性。
图3.催化剂对甲烷氯氧化反应的催化性能
3.催化机理
为了了解催化剂的催化机理，使用RXPS对催化剂表面进行了分析，结果如图4所示。可以看出，甲烷在催化剂表面上吸附，然后通过钯和锰的氧化与反式氯乙烯分子反应，并在氧气的存在下将其转化为HCl和二氧化碳。
图4.催化剂在甲烷氯氧化反应过程中的催化机理
结论
本文以氧化钯和氧化锰为主要成分负载在二氧化铈纳米棒上，研究了其在甲烷氯氧化反应中的催化性能。结果表明，二氧化铈纳米棒负载氧化钯和氧化锰的催化剂具有良好的催化活性和稳定性，并且最佳反应条件为反应温度为350°C，在C1H4Cl2/O2为1:1的摩尔比下反应2h。此外，通过RXPS分析，催化机理主要以氧化钯和氧化锰为主要贡献。这些结果为设计和开发新型甲烷氯氧化反应的高效催化剂提供了重要的参考。