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冷等离子体处理制备催化剂研究

作　者: 张月萍
导　师: 马沛生
学　校: 天津大学
专　业: 化学工艺
关键词: 等离子体处理催化剂制备温度测量红外照相热效应甲烷芳构化甲烷还原 NO
分类号: TQ426
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

等离子体是物质存在的第四种状态。等离子体已经在材料合成及修饰、臭氧合成、废弃物处理、显示器等方面取得了举世瞩目的工业成就。近年来,等离子体绿色合成工艺研究逐渐成为绿色化学的热点研究课题。等离子体制备高效催化剂是正在兴起的等离子体绿色合成工艺的重点课题。本论文首先研究了辉光放电等离子体处理制备催化剂温度参数测量方法。本论文还在前期研究基础上, 进一步探讨利用冷(辉光放电)等离子体处理制备甲烷芳构化和甲烷 NO 还原高效催化剂。本论文通过红外照相方法,分析测试了辉光放电等离子体处理催化剂颗粒或粉末时等离子体的气体温度,证明在处理过程中,催化剂与等离子体相界面和催化剂主体均维持在较低温度范围(低于 50 °C),说明辉光放电等离子体处理催化剂过程中,不存在热效应。本论文在甲烷芳构化催化剂制备过程中,催化剂仅经过辉光放电冷等离子体处理,而没有再使用高温焙烧,以尽可能提高催化剂 B 酸量。实验表明,等离子体处理制备的催化剂低温活性改善,芳烃选择性提高。如,等离子体处理制备的 Fe-Mo/HZSM-5 催化剂在 673 K 时甲烷转化率达到 8.43%,芳烃选择性达到70.29%,而用常规制备的催化剂相同温度下甲烷转化率只有 3.85%,芳烃选择性只有 29.71%。等离子体处理制备的 Fe-Mo/HZSM-5 催化剂积炭还减少,特别在较低反应温度下,催化剂积炭量大大减少;说明通过等离子体处理制备,催化剂抗积碳能力增强。本论文在研究冷等离子体处理制备催化剂机理过程中,还发现了新型自组装“冠状结构” Fe-Mo/HZSM-5 分子筛,这种结构分子筛在相结构和组成上没有变化,但在甲烷芳构化反应性能方面有很大变化。本论文在甲烷还原 NO 催化剂制备过程中,采用了冷等离子体处理+热焙烧(PR&C)催化剂制备方法。用此方法制备的催化剂,活性组分分散性提高(且反应后分散性维持稳定)、低温活性和催化剂稳定性显著改善。如,常规制备的0.1wt%Pt/NaZSM-5 催化剂在低于 673 K 时没有催化活性,而相同温度下,用PR&C 制备的催化剂 NO 转化为氮的分数达到 88.5%。且 PR&C 制备的催化剂在548 K 时就具有初始反应活性。

全文目录

第一章文献综述  7-16
  1.1 物质第四态  7-8
  1.2 等离子体化学  8-9
  1.3 等离子体化学的形成与发展历史  9
  1.4 新型等离子体绿色化学工艺发展方向  9-11
  1.5 等离子体绿色化学工艺在催化剂制备中的应用  11-14
    1.5.1 直接合成超细颗粒催化剂  11-12
    1.5.2 催化组分喷射涂层  12
    1.5.3 等离子体催化剂改性  12-14
  1.6 本文的目的和意义  14-16
第二章采用辉光放电等离子体处理制备催化剂实验原理与方法  16-21
  2.1 等离子体制备催化剂基本方法  16
  2.2 辉光放电简介  16-19
  2.3 辉光放电等离子体处理催化剂实验装置  19-21
第三章辉光放电等离子体处理催化剂温度测量与热效应分析  21-38
  3.1 空腔与空舟时的等离子体诊断  21-26
  3.2 催化剂存在时辉光放电等离子体红外图像  26-31
  3.3 空腔时或存在催化剂时辉光放电等离子体温度分布对比  31-34
  3.4 存在催化剂时辉光放电辉纹之温度测量之补充讨论  34-37
  3.5 辉光放电等离子体处理催化剂不存在热效应  37-38
第四章等离子体改性处理制备甲烷无氧芳构化催化剂  38-70
  4.1 甲烷转化研究工作的现状和目前存在的困难  38-40
    4.1.1 甲烷芳构化的研究现状  38-39
    4.1.2 甲烷无氧转化的常规催化中存在的困难  39-40
  4.2 催化剂的制备  40-42
    4.2.1 HZSM-5 分子筛的饱和吸附量的测量  40
    4.2.2 常规催化剂的制备  40-41
    4.2.3 氩等离子体处理制备高效催化剂  41-42
  4.3 催化剂表征与评价  42-44
    4.3.1 催化剂表面酸性的表征  42
    4.3.2 等离子体处理制备催化剂形貌分析  42
    4.3.3 等离子体处理制备催化剂结构分析  42-43
    4.3.4 等离子体改性制备催化剂表面成分分析  43
    4.3.5 甲烷无氧芳构化反应评价  43-44
  4.4 实验结果与讨论  44-57
    4.4.1 XRD 表征结果  44
    4.4.2 催化剂表面酸量变化  44-47
    4.4.3 等离子体处理对Fe-Mo/HZSM-5催化剂表面形貌的影响  47-49
    4.4.4 等离子体处理对Fe-Mo/HZSM-5催化剂表面组成的影响  49-57
  4.5 催化剂反应评价  57-62
  4.6 等离子体处理催化剂时静电修饰效应及新型冠状分子筛结构的形成及其甲烷芳构化特性  62-70
第五章等离子体处理+热焙烧制备甲烷催化还原 NO 催化剂  70-84
  5.1 催化剂制备  71-72
    5.1.1 Pt/NaZSM-5催化剂制备  72
    5.1.2 Pd/NaZSM-5催化剂制备  72
    5.1.3 甲烷催化 NO 还原  72
  5.2 催化剂表征  72-73
  5.3 结果与讨论  73-84
    5.3.1 Pt/NaZSM-5催化剂  73-77
    5.3.2 Pd/NaZSM-5催化剂  77-80
    5.3.3 存在氧和水汽情况 Pd/NaZSM-5 催化剂还原 NO 的实验研究  80-84
第六章结论  84-86
参考文献  86-96
发表论文及参加科研情况说明  96-98

冷等离子体处理制备催化剂研究

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