钙钛矿型催化剂催化氧化NO

钙钛矿型催化剂La1-x Ce x CoO3对一氧化氮的氧化催化研究摘要本文介绍了在钙钛矿氧化物中的NO的氧化性能的研究La1-x Ce x CoO3 (x = 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)通过柠檬酸盐法合成钙钛矿型氧化物并以XRD, BETand XPS为特征。

当使用铈替代催化剂时催化活性显著增强，并取得了当x=0.2时活性最大，但X越大活性会降低。

分析表明，表面上吸附的氧对NO氧化成NO2起着重要的作用。

在室温下，NO和O2共吸附层之下的表面化合物，通过红外光谱和TPD实验进行了研究。

有三个品种形成在表明上分别是：桥接硝酸盐，次硝酸和单齿硝酸盐。

热稳定性的顺序为：单齿硝酸盐> 次硝酸>桥接硝酸盐。

其中，仅单齿硝酸盐在300摄氏度以上会分解，解除吸附变为NO2进入气相。

当Ce的加入，单齿硝酸盐解脱吸附的温度变低，另外两个品种的吸附减少。

这可能与表面上的钴的氧化状态有关。

通过对表征结果和催化活性的数据的结合分析显示，大量吸附的氧，表面上少量的非活性化合物和较低的NO2接触吸附温度会有利于NO的氧化。

＃2007爱思唯尔B.V.保留所有权利。

1 介绍对NO x催化消除的广泛研究已进行了多年。

然而，除去柴油发动机和过量氧气贫燃条件下的汽油发动机中的NO x仍然是一个挑战。

在研制的几个NO X氧化环境转化的过程中NO2总是比NO更加受宠，例如NO x的储存和还原技术（NSR）[1]，为去除氮氧化物和烟尘的连续再生陷阱技术（CRT）[2]，选择性催化还原氮氧化物（SCR），尤其是某些N-所含物种如氨或尿素。

[3-5]我们还发现，形成二氧化氮是在NO的SCR的碳氢化合物机制的重要一步[6.7]。

一些研究人员也开发了几种更复杂的系统，例如'VHRO系统'（V= 对NO到NO2的氧化催化剂，H =水解催化剂，R = SCR催化剂，O =对NH3的氧化催化剂）[5]和IAR法（在氧化和还原剂的还原催化剂之间加入）[8]。

在这些系统中，它们都在NO的氧化添加还原剂之前设置一个预催化剂，使还原剂的效率得到显著改善。

总之，在一氧化氮氧化为二氧化碳的过程中放置催化剂是使人非常感兴趣的。

铂基催化剂是现在最常用于NO氧化的催化剂。

Despre´s Joe¨l等，观察到铂/二氧化硅（2.5重量％）可在300摄氏度时转换约80％的NO为NO2[9]。

并且当铂颗粒更大并且负载更高时可以观察到NO的氧化率更高by Xue Et al.[10]。

然而，贵金属高成本限制了它的应用。

钙钛矿型复合氧化物（通式：ABO3）催化应用已经从1970年开始广泛研究。

许多优秀的元素都可以参与ABO3型晶体结构，它们具有较高的热稳定性。

通过对A位离子和/或B位离子的部分取代，可以调节结构缺陷的数量和材料中的B位离子的价数分布。

钙钛矿型氧化物的这些优良特性使的它们适合催化许多反应，例如CO或烃类的氧化，分解氮氧化物，氢化反应等[11.12]。

不过，据我们所知，它们在NO氧化中的应用从未被发表。

在这项研究中，一系列的La1-x Ce x CoO3钙钛矿型催化剂进行合成，其中x的范围从0到0.4。

我们观察到他们对NO的氧化的高活性以及通过XRD和TPD所做的特性研究在这里被提出。

与贵金属催化剂相比，该钙钛矿催化剂以其低成本，高催化活性和高热稳定性吸引了更多的关注。

2 实验2.1 催化剂的制备钙钛矿型La1-x Ce x CoO3(x = 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)是由柠檬酸盐方法制备。

La(NO3)3·6H2O, Ce(NO3)3·6H2O, Co(NO3)2·6H2O以适当的量分别溶解在蒸馏水中。

柠檬酸一水合物以10%的重量过量加入到混合物中，以确保金属离子的络合。

放入旋转蒸发仪升至80摄氏度除去水，直至形成粘稠的凝胶。

将凝胶放入真空烘箱中设置在100°C干燥一夜，得到海绵状，高吸湿性，无定形前体。

取前体研磨并在空气中以700摄氏度煅烧两小时，得到的钙钛矿型氧化物。

对样品进行挤压，压碎并筛分至20-40目，以获得合适的颗粒进行实验。

2.2催化剂的表征对新鲜催化剂的相进行鉴定，使用计算机化的日本理学D / MAX-RB型X射线衍射仪（日本，铜Kα辐射，0.154056 nm）进行了X射线衍射测定。

衍射图录得以0.02度为一步的15度和75度之间的2θ的扫描。

通过与JCPDS文件比较识别相位。

我们使用Micromeritics ASAP的2100自动化设备在-196摄氏度得到了覆盖了相对压力的整个范围的氮吸附- 脱附等温线。

比表面积从这些等温线通过施加BET 法进行计算。

X射线光电子能谱（XPS）分析在MKII（赛默VG Scientific）中进行了单色化微聚焦的Al的X射线源。

该分析仪通过能量为50eV。

该光谱在真空中测定，优于10-10 mbar。

被记录到一下光谱，C 1s, O 1s, La 3d, Co 2p 和Ce 3d。

该电荷修正被集中在284.9 eV是由于考虑到污染碳（C-C或C-H键）中的C 1s信号。

程序升温脱附（TPD）实验在石英反应器中进行，四倍质谱仪作为检测器。

最初的一百五十毫克的催化剂样品（20-40目）用在各种分析实验中。

TPD系统的总气体流量固定在30毫升/分钟。

为了从催化剂表面除去水和可能的烃，样品放置在流动的8％氧气/氦气以600摄氏度的温度持续1小时被预处理，然后在纯氦中冷却至室温。

对于一氧化氮和氧气的TPD实验中，进料为800ppm的一氧化氮气体和8％氧气的混合气体，用氦气保持平衡。

吸附完成后，将整套设备用纯氦彻底冲洗2小时。

最后，将催化剂升温到600摄氏度，加热速率为30摄氏度/分钟。

脱附气体的组合物连续地使用质谱仪监测。

原位漫反射红外光谱记录在一台配备了智能采集器和液氮冷却的MCT检测器的NEXUS670 - FTIR。

所有光谱的测定以4cm-1为分辨率并且积累100次扫描。

所述催化剂样品进行精细研磨，并置于陶瓷坩埚。

漫反射红外光谱记录在与TPD实验相同的程序之后。

从氦气处理的样品中获得的相对应温度下的不同光谱被用作参考。

2.3 催化活性评价催化剂（2克，20〜40目）在大气压下操作的石英管固定床反应器中进行测试。

反应气体中包含800ppm的NO，8％O2和氦气作为平衡。

总流速为1250毫升/分钟。

气体产物的组成用气相色谱仪（Angilent 6890）和化学发光法的NO x分析仪（Angilent 6890）进行分析。

一个molecular-sieve 5 A °柱和一个Porapak Q柱被用来量化的N2，O2和N2O的气体流动。

所有的测试数据通过配备有multireflection气体细胞（Nicolet，光程长度=10米）的FT-IR光谱仪（Nicolet NEXUS 670）证实。

NO转化率，X（％），被定义为一氧化氮的进料已反应的百分比。

X%=(（NO）进-（NO）出)/(NO)进*100%。

3 结果与讨论3.1 催化剂的结构特征图1显示了组合物不同的催化剂的结构特征。

从XRD图谱中，我们可以发现，在所有钙钛矿样品中相位是完全形成的。

结果表明，在焙烧条件（2小时700℃）足以使ABO3型钙钛矿结构良好结晶。

另一方面，类似的结果在文献。

[13-15]铈增加值的替代导致附加阶段的外观和钙钛矿结构本身的变化。

对于x = 0和0.05，其结构为菱形LaCoO3的形势（JCPD-ICDD25-1060）;当x≥0.1时，样品显示出立方的LaCoO3的图案（JCPD-ICDD75-0279）。

这是通过明确地将两个靠近的反射（2U=32.9和33.28）合并为一个峰表示[13]。

钙钛矿结构中的铈溶解度也低。

通过增加铈，催化剂的混合相将达到预期。

如图1所示，当且仅当x>0.1，对四氧化三钴（JCPD-ICDD42-1467），La2CoO4（JCPD-ICDD34-1081），氧化铈（JCPD-ICDD43-1002）和Ce6O11（JCPD-ICDD32-0196）的峰进行观察，强度随着X增加而增加。

可以得出这样的结论，当x≤0.1时，这些样品中的铈的溶解度是有限的。

图1La1-x Ce x CoO3在700摄氏度煅烧两小时的XRD光谱：(*) Ce6O11;(◇) CeO2; (#) Co3O4; (^) La2CoO4.3.2 比表面积催化剂的BET结果示于表1中。

La1-x Ce x CoO3催化剂的比表面积（SSA）是相对低的，约9-12平方米/克，这是在与文献[13]一致。

为了获得钙钛矿型氧化物的催化剂，在高温下煅烧是必要的，但这类处理通常会导致比表面积显著降低。

取代样品比LaCoO3具有更大的SSA这也是值得注意的。

然而，替换时的增强不是线性的。

在钙钛矿结构中当铈的添加低于其溶解度,SSA出现显著增加;当x大于0.1时,有更多相位随着如图X射线衍射分布的比例增加,其SSA在某种程度上下降。

表一在700℃下煅烧两小时的La1-x Ce x CoO3的比表面积的结果X SSA（m2/g）0 8.90.05 11.40.1 12.60.2 11.00.3 9.80.4 10.83.3催化活性图2呈现NO的转化率与反应温度超过La1-x Ce x CoO3的催化剂的功能。

每个数据点都是在稳定状态下测量的平均值。

NO转化为NO2并且N2和N2O都没有被检测到。

图2 La1-x Ce x CoO3在作为催化剂氧化NO时的催化活性，反应条件：NO800 ppm, O2 8%, 氦气平衡,总流速: 1250 ml/min, W/F: 0.096 g*s/ml.低温下NO的氧化在动力学上是有限的。

随着温度的升高，活性提高，而热力学极限（点线[5]）会实现。

在钙钛矿样品中，从加入铈开始，NO的氧化活性就大幅度增强，可以观察到最大活性点移动到较低的温度。

在x =0.2时的样品得到了最好的性能，在300摄氏度约80％的转化率。

铈的替代使催化活性提高了很多。

与钙钛矿型复合氧化物相比，纯的四氧化三钴的活性较低，而氧化铈甚至没有显示出任何对NO氧化的活性，所以未在此图中提及。

而其他的相对于直接用于催化剂将难有作为。

另一方面，根据Kirchnerova[13]的报告，有可能是现有的混合相之间的协同效应。

不同相之间的界面可能会产生一些缺陷结构，在一定程度上提高活性。

然而，这种促进机制仍然无法明确解释，并且更多的作品需要在未来才能实现。

3.3X射线光电子能谱用于催化反应中的催化剂，表面特征总是比晶格更重要。

因此，XPS是用来揭示钙钛矿型催化剂的化学状态和表面上的元素的相对丰度。