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ChemCatChem:制备AAl2O4(A=Cu,Co,Ni,Zn)尖晶石用于甲苯催化燃烧:阐明A位取代对反应性能的影响2024-03-01
为研制高效VOCs燃烧催化剂,本文采用甘氨酸燃烧法制备了系列AAl2O4 (A=Cu, Co, Ni, Zn) 尖晶石复合氧化物材料,并利用多种表征手段阐明了A位取代对其甲苯燃烧性能的影响。其中CuAl2O4尖晶石具有最好的催化燃烧性能。

挥发性有机物(VOCs)的排放给自然环境和人类健康带来了巨大的危害,2022年国家出台的“十四五”节能减排综合工作方案中指出,到2025年挥发性有机物排放总量比2020年下降10%以上,因此VOCs的治理迫在眉睫。其中催化燃烧技术是最经济高效的VOCs消除方法之一。该方法可使VOCs在较低的温度下被氧化为CO2和H2O,具有能耗低、处理效率高、无二次污染、适用范围广等优点。针对该技术,如何找到制备简单、成本低廉、催化效率高、起燃温度低的催化剂,一直是研究的重点。

 

 

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图1. AAl2O4(A=Cu,Co,Ni,Zn)尖晶石用于甲苯催化燃烧

近期南昌大学王翔教授课题组制备了AAl2O4(A=Cu,Co,Ni,Zn)尖晶石催化剂用于甲苯燃烧,并探讨了A位取代对反应性能的影响。该课题组的前期研究表明,在ZnAl2O4尖晶石晶格中掺杂Fe和Co离子,可有效增加表面活性过氧物种(O2)的量,从而提高其CO氧化活性。基于此,为获得更好的VOCs燃烧催化剂,本研究利用Cu2+、Co2+、Ni2+分别取代ZnAl2O4尖晶石四面体A位的Zn2+制备催化剂,且利用多种表征方法探究了催化剂的晶相结构和表面性质,并与甲苯燃烧活性相关联。结果表明,催化剂表面活性氧的含量以及表面酸性位点的数量是决定其燃烧性能的两个主要因素。表面酸性位点能够有效吸附和活化甲苯分子形成活性中间体,并与表面活性氧反应生成产物;而消耗的表面活性氧可被气相氧修复,反应遵循Mars-van-Krevelen机理。各催化剂表面的表面活性氧中心和表面酸性位点数量均遵循以下顺序:CuAl2O4 > CoAl2O4 > NiAl2O4 > ZnAl2O4,与甲苯燃烧活性顺序一致。

综上所述,通过调节AAl2O4(A=Cu,Co,Ni,Zn)尖晶石复合氧化物的A位离子,可以有效调变其表面活性氧和表面酸性位点的数量,从而显著提高催化剂CO氧化活性和甲苯燃烧性能。其中CuAl2O4尖晶石表面具有最大量的上述两种活性位点,因而具有最佳的反应活性(T98=374℃,Rs=4.8×10–7 mmol s–1 m–2),和最低的活化能(Ea=100.1 kJ mol-1)。此外,CuAl2O4催化剂具有良好的反应稳定性,抗水抗硫性能。本工作可为设计具有应用前景的低温高效VOCs燃烧催化剂提供新思路。

文信息

Manufacturing AAl2O4 (A = Cu, Co, Ni, Zn) Spinel Catalysts for Toluene Combustion: Elucidating the A-site Replacement Effect on the Reactivity

Yu Lv, Haiming Yan, Teng Liu, Dr. Junwei Xu, Dr. Xianglan Xu, Dr.Xiuzhong Fang, Prof. Xiang Wang

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202301264

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