物化实验报告综合实验一固体多相催化剂

铈锰复合氧化物催化剂的研究

摘要：本实验中先制备不同配比的铈锰复合氧化物，作为甲苯氧化反应的催化剂。然后采用差热分析(DTA)、BET色谱和气相色谱等仪器分析方法，对所制得的催化剂

进行诸如热分解温度、比表面积、催化活性等物理化学参数的测定。最后通过对

这些结果的分析，探讨该类催化剂的配方对催化活性的影响。

关键词：铈锰氧化物催化剂比表面积活性

The Study of Ce-Mn Oxide Catalyst

Abstract：In this experiment, the different proportions of Ce-Mn oxide are prepared to catalyze the oxidation reaction of toluene. Instrumental analysis methods:

Differential thermal analysis, Brunauer Emmett Teller procedure and Gas

chromatograph, for example, are used to measure several physical chemistry

parameters. At last, we can discuss the relationship between Ce-Mn

proportioning and the activity of catalyst by analyzing these data, such as

temperature of thermal decomposition, specific surface area, activity, etc. Key words：Ce-Mn oxide, Catalyst, Specific surface area, Activity

1.前言

差热分析法

差热分析（differential thermal analysis , DTA ）是在程序控温下测量样品和参比物（在测量温度范围内不发生任何热效应的物质）之间的温度差与温度关系的一种技术。在实验的过程中，可将试样与参比物的温差作为温度或时间的函数连续记录下来：ΔT = f （T or t ）

本实验的参比物是活性氧化铝颗粒；实验目的是通过差热分析确定硝酸盐的分解温度，从而在该温度下进行催化剂的烧结，在载体上得到铈、锰的氧化物。

BET 色谱法

1克质量的多孔固体所具有的总表面积（包括外表面积和内表面积）定义为比表面积，以m 2/g 表示。在气固多相催化反应的机理研究中，大量的事实证明气固多相催化反应是在固体催化剂表面上进行的。某些催化剂的活性与其比表面有一定的关系，因此测定固体的比表面对多相反应机理的研究有着重要意义。测定多孔固体比表面的方法很多，其中BET 气相吸附色谱法是比较有效、准确的方法。

BET 吸附理论的基本假设是：在物理吸附中，吸附质和吸附剂之间的作用力是范德华力，而吸附分子之间的作用力也是范德华力。当气相中的吸附质分子被吸附在多孔固体表面上之后，它们还可能从气相中吸附同类分子，吸附是多层的，但同一层吸附分子之间无相互作用；吸附平衡是吸附和解吸附的动态平衡，第二层及其以后各层的吸附热等于气体的液化热。根据这个假设推导得到BET 方程如下：

222/11(1/)N S

N d N S m m S

p p p C V p p V C V C p -=+- P N2 —— 混合气体中氮的分压

P S —— 吸附温度下氮的饱和蒸气压

V m —— 饱和吸附量（标准态）

C —— 与吸附热及凝聚热有关的常数

V d —— 不同分压下的吸附量（标准态） 实验中测量并换算出不同2

N S p p 条件下的饱和吸附量V d ，然后即可以22/(1/)N S d N S p p V p p -对

2

N S p p 做线性拟合，所得直线的斜率k=1m C V C -，截距b=1m V C 。由此k+b=1m C V C -+1m V C =1m

V ，也就是V m =1k b

+，这是所吸附的氮气在标准状态下的体积。而标况下每毫升氮分子以单分子层紧密排列所能覆盖的面积为2320

236.0221016.210 4.36(/)22.410

m mL -⨯⨯⨯∑==⨯。由此，固体的比表面积可表示为20 4.36(/)m V S m g W

=，其中W 为固体样品的质量。上述线性拟合所需的数据2N S p p 和V d 均须由实验测得的数据计算出。

P S 取实验时的大气压P 0代替，而2222200N C H N C H N C C S C R R R P R R P p p R R P R --=

=⇒=；

不同分压下的吸附量（标准态）V d = K ·R C ·A d

催化剂在不同温度下活性的测定 本实验在不同温度下用制得的催化剂在连续流动反应器中催化甲苯的氧化反应，并用气相色谱法测定甲苯的剩余比例，以此计算出不同温度下甲苯催化氧化反应的转化率，从而作出“转化率-温度”曲线并评价不同温度下的活性。在操作条件特别是气体流速不变的前提下，气相色谱峰面积正比于流经氢火焰检测器的混合气中甲苯的含量，因此可以将“不流经反应器的混合气”的峰面积作为基准100%，测定“流经反应器的反应尾气”的峰面积而得到尾气中甲苯的剩余比例y ，则1-y=x 即是转化率。

2. 实验部分

2.1 仪器与试剂

研钵，分选筛；10mL 量筒，移液管，洗耳球；烧杯，玻璃棒，干燥器；坩埚，高温烘箱；秒表。

BP310P电子天平Sartorius牌

AI-808人工智能温度控制仪厦门宇光电子技术有限公司

CRY-1差热分析仪器上海精密科学仪器有限公司

N-2010双通道色谱工作站浙江大学智能信息工程研究所

LW-4固定床反应器无锡绘图仪器厂

GC-9790A气相色谱仪温岭福立分析仪器有限公司

ST-03表面孔径测定仪

活性氧化铝；液氮，蒸馏水；氢气(钢瓶)，氮气(钢瓶)，空气(钢瓶)。

50% Mn(NO3)2溶液（化学纯）

Ce(NO3)3·6H2O （化学纯）

2.2实验步骤

1)催化剂的制备：研磨并筛选出60~80目的γ-Al2O3；取适量的硝酸锰溶液和硝酸亚铈晶体在干净烧杯中溶解完全，然后倒入少量的上述γ-Al2O3，搅拌均匀使溶液完全被Al2O3载体吸附。所得潮湿样品放入红外烘箱中烘干，在烘干过程中注意要不断地搅拌。

2）热分解温度的测定：在反应炉中的两个坩埚中分别加入未焙烧过的样品和参比物--活性氧化铝，将炉体旋下，打开冷凝水。首先设置UGU型AI人工智能工业调节器的温度范围50－460℃。开启记录仪和2010型双通道色谱工作站,进行仪器调零，然后使调节器将按10℃/1min的升温速度将温度从室温升高到460℃，记录下差热图，然后根据转折点的坐标查出催化剂的分解温度。