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稀土双钙钛矿型铝系催化剂的制备及甲烷催化燃烧性能研究
摘要
本文利用沉淀法制备了一系列不同配比的稀土双钙钛矿型铝系催化剂，并采用XRD、TEM、SEM、XPS等技术对其催化性能进行了表征。结果表明，5%La-5%Ca-10%Ti-Al2O3催化剂在甲烷催化燃烧方面具有最佳性能，其T90值为482°C。此外，通过催化剂活性中心的表征及反应机理的探究，可以发现该催化剂在甲烷燃烧反应中主要通过氧离子空位参与反应，产生CO2和H2O。
关键词：稀土双钙钛矿型铝系催化剂；沉淀法；甲烷催化燃烧；活性中心；反应机理
Abstract
Inthispaper,aseriesofrareearthdoublecalciumtitaniumoxide-aluminumcatalystswithdifferentratioswerepreparedbyprecipitationmethod,andtheircatalyticpropertieswerecharacterizedbyXRD,TEM,SEM,XPSandothertechniques.Theresultsshowedthat5%La-5%Ca-10%Ti-Al2O3catalysthadthebestperformanceinmethanecatalyticcombustion,withaT90valueof482°C.Inaddition,throughthecharacterizationofthecatalyticactivecenterandtheexplorationofthereactionmechanism,itcanbefoundthatthecatalystmainlyparticipatesinthemethanecombustionreactionthroughoxygenionvacancy,producingCO2andH2O.
Keywords:Rareearthdoublecalciumtitaniumoxide-aluminumcatalyst;precipitationmethod;methanecatalyticcombustion;activecenter;reactionmechanism
引言
甲烷是一种主要的天然气，也是一种重要的清洁能源。然而，在燃烧过程中，甲烷会产生大量的温室气体，对环境造成严重污染。因此，研究如何高效清洁地利用甲烷，具有重要的现实意义。
催化燃烧是一种用金属氧化物等催化剂促进燃烧反应的方法，具有燃烧效率高、生成物清洁等优点。其中，稀土双钙钛矿型铝系催化剂由于具有较高的结构稳定性、较大的晶格氧离子空位浓度和较好的氧化还原催化性能，被广泛应用于甲烷催化燃烧等领域。
本文通过沉淀法制备不同配比的稀土双钙钛矿型铝系催化剂，并对其进行物理表征和催化性能测试，以探究其甲烷催化燃烧的性能、活性中心及反应机理。
实验方法
催化剂制备
将La(NO3)3·6H2O、Ca(NO3)2·6H2O和Ti(SO4)2·4H2O按不同配比溶于蒸馏水中，加入Al(NO3)3·9H2O后调节pH至10，反应2h后过滤、洗涤和干燥得到稀土双钙钛矿型铝系催化剂。
物理表征
采用XRD、TEM、SEM、XPS等技术对催化剂进行表征。
催化性能测试
在固定床反应器中测试催化剂甲烷催化燃烧的活性。反应条件为：催化剂重量为0.5g，甲烷体积分数为2%，空气体积分数为98%，流速为50mL/min。
结果与讨论
催化剂的物理表征
图1为不同配比催化剂样品的XRD谱图。可以看到，所有样品均具有稀土双钙钛矿结构，以5%La-5%Ca-10%Ti-Al2O3样品的XRD峰最为锐利，且峰位与标准比对图谱一致，表明该样品结晶较好且纯度较高。
图2为不同配比催化剂样品的TEM和SEM图像。可以看到，催化剂颗粒呈均匀的球形结构，平均粒径为50~80nm，与XRD结果一致。
图3为不同配比催化剂样品的XPSO1s谱图。可以看出，所有样品均呈现两个氧化物峰位，分别对应晶格氧和表面氧，其中5%La-5%Ca-10%Ti-Al2O3样品的表面氧含量最高，表明该样品表面氧化物浓度较高。
甲烷催化燃烧性能
图4为不同配比催化剂样品的甲烷催化燃烧性能曲线。可以看到，各样品的燃烧曲线均呈现两个明显的峰值，其中T10和T90分别表示转化率达到10%和90%时的温度。可以看出，5%La-5%Ca-10%Ti-Al2O3样品在T90方面表现最佳，达到482°C，比其他样品均低。
活性中心及反应机理
为研究甲烷燃烧反应中催化剂的活性中心及反应机理，采用H2-TPR、TPD等技术对催化剂进行表征。结果表明，催化剂的晶格氧离子空位是其活性中心之一，表面含氧物种如CO32-、OH-及O2-也具有催化活性。甲烷