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核壳结构纳米催化剂的制备、表征及其三效催化性能研究

作　者: 刘北北
导　师: 何洪
学　校: 北京工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 核-壳结构 三效催化剂 钯 二氧化硅 三效催化活性 热稳定性
分类号: TQ426
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着机动车尾气排放标准的日益严格及贵金属资源日渐匮乏，三效催化剂（TWCs）产业面临着降低贵金属含量和提高催化剂活性及热稳定性的挑战。近几年来，纳米催化科学的发展和纳米TWCs的应用为迎接这一挑战带来了曙光。马自达公司已制备出贵金属粒子粒度不大于5nm的TWCs，该催化剂具有很好的三效催化活性和热稳定性，且贵金属用量可以减少7090%。但是，国内对于纳米TWCs的研究才刚刚起步。本课题组发明的超声膜扩散法（UAMR）可以实现对纳米贵金属粒子、纳米储氧材料和纳米催化剂的可控制备。利用UAMR法制备的纳米双金属催化剂Rh-Au/γ-Al2O3和等体积浸渍法制备的Rh/γ-Al2O3催化剂的三效催化活性相当，但是贵金属Rh的用量可以降低66%之多。然而，在实际应用中，如何提高纳米贵金属催化剂的热稳定性一直是人们关注的热点问题。本课题就是在金属纳米粒子可控制备的基础上通过设计实验找到包裹型Pd@SiO2纳米粒子可控制备条件，阐述其合成参数对其分散度的影响规律，找到Pd@SiO2纳米粒子的可控制备规律，将其分别负载于γ-Al2O3，Ce0.4Zr0.6O2及γ-Al2O3（70%）+Ce0.4Zr0.6O2（30%）三种载体上，不同温度下焙烧，研究其三效催化活性的规律。研究结果如下：1.采用化学还原法，制备出粒子尺寸在46nm的球形Pd纳米粒子。以正硅酸乙酯（TEOS）为硅源，制备出Pd@SiO2结构的纳米粒子，壳层平均厚度约为12nm，包裹率达到100%，且每个SiO2壳层只包裹一个Pd纳米粒子。2.采用浸渍法将制得的Pd纳米粒子与Pd@SiO2纳米粒子分别负载于Ce0.4Zr0.6O2（CZ）载体上，得Pd/CZ-500与Pd@SiO2/CZ-500催化剂，老化样品为Pd/CZ-900与Pd@SiO2/CZ-900。三效催化活性测试结果及表征结果表明，从纳米粒子出发制备的两种催化剂，Pd物种主要是以金属Pd、活性PdOx及体相PdO的化学态同时存在。Pd/CZ-900与Pd@SiO2/CZ-900催化剂的三效催化活性均高于相应的新鲜样品Pd/CZ-500与Pd@SiO2/CZ-500，同时，Pd@SiO2/CZ-900催化剂的三效催化活性要高于Pd/CZ-900催化剂的三效催化活性，SiO2壳层的存在提高了负载于CZ载体上Pd催化剂的活性与热稳定性。3.采用浸渍法将制得的Pd纳米粒子与Pd@SiO2纳米粒子分别负载于γ-Al2O3（A）载体上，得Pd/A-500与Pd@SiO2/A-500催化剂，老化样品表示为Pd/A-900与Pd@SiO2/A-900。结果表明Pd@SiO2/A-500与Pd@SiO2/A-900催化剂三效催化活性均低于Pd/A-500与Pd/A-900催化剂的三效催化活性，SiO2壳层的存在未能提高负载于γ-Al2O3载体上Pd催化剂的三效催化活性与热稳定性。4.采用浸渍法将制得的Pd纳米粒子与Pd@SiO2纳米粒子分别负载A+CZ混合载体上，得Pd/A+CZ-500与Pd@SiO2/A+CZ-500催化剂，取部分催化剂继续于900°C焙烧4h得Pd/A+CZ-900与Pd@SiO2/A+CZ-900催化剂。结果表明Pd@SiO2/A+CZ-500与Pd@SiO2/A+CZ-900催化剂三效催化活性均低于Pd/A+CZ-500与Pd@/A+CZ-900催化剂的三效催化活性，SiO2壳层的存在未能提高负载于A+CZ载体上Pd催化剂的三效催化活性与热稳定性。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章 绪论  11-19
  1.1 汽车尾气的产生、危害与控制  11-13
    1.1.1 汽车尾气的产生与危害  11-12
    1.1.2 汽车尾气的污染控制  12-13
  1.2 汽油车尾气催化净化  13-16
    1.2.1 尾气催化净化的反应原理  13-14
    1.2.2 三效催化剂的贵金属组分  14-16
    1.2.3 三效催化剂面临的问题  16
  1.3 国外核壳结构纳米粒子的研究现状  16
  1.4 氧化铝载体在三效催化剂中的应用  16-17
  1.5 铈锆固溶体储氧材料在三效催化剂中的应用  17
  1.6 铈锆固溶体的制备与表征  17-18
    1.6.1 铈锆固溶体的制备方法  17-18
    1.6.2 铈锆固溶体的表征  18
  1.7 研究内容、选题意义  18-19
    1.7.1 研究内容  18
    1.7.2 选题意义及研究目的  18-19
第2章 实验及测试方法  19-25
  2.1 化学试剂和实验仪器  19-20
  2.2 催化剂制备方法  20-22
    2.2.1 载体制备方法  20
    2.2.2 Pd 与 Pd@SiO_2纳米粒子的制备方法  20-21
    2.2.3 活性组分的负载方法  21-22
  2.3 催化剂物化性质表征  22-24
    2.3.1 X 射线衍射（XRD）技术  22
    2.3.2 比表面积（BET）测定技术  22-23
    2.3.3 透射电镜（TEM）技术  23
    2.3.4 氢气程序升温还原（H2-TPR）技术  23
    2.3.5 X 射线光电子能谱（XPS）  23-24
    2.3.6 金属分散度测试  24
  2.4 催化剂活性评价  24-25
第3章 Pd/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2与Pd@SiO_2/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2催化剂的制备、表征及催化性能研究  25-43
  3.1 引言  25
  3.2 Pd/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2与 Pd@SiO_2/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2的制备与表征  25-26
  3.3 结果讨论  26-36
    3.3.1 Pd/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2与 Pd@SiO_2/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2的 TEM 表征  26-29
    3.3.2 Pd/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2与 Pd@SiO_2/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2的比表面积、孔径及其分布  29-30
    3.3.3 Pd/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2与 Pd@SiO_2/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2的晶相结构  30-32
    3.3.4 Pd/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2与 Pd@SiO_2/Ce_(0.4)Zr_(0.6)O_2的 TPR 实验  32-34
    3.3.5 XPS 结果  34-36
  3.4 三效催化活性  36-40
  3.5 本章小结  40-43
第4章 Pd/γ-Al_2O_3与 Pd@SiO_2/γ-Al_2O_3催化剂的制备、表征及催化性能研究  43-51
  4.1 引言  43
  4.2 Pd/γ-Al_2O_3与 Pd@SiO_2/γ-Al_2O_3催化剂的制备与表征  43
  4.3 结果与讨论  43-50
    4.3.1 Pd/γ-Al_2O_3与 Pd@SiO_2/γ-Al_2O_3的晶相结构  43-44
    4.3.2 Pd/γ-Al_2O_3与 Pd@SiO_2/γ-Al_2O_3的比表面积、孔径及其分布  44-45
    4.3.3 Pd/γ-Al_2O_3与 Pd@SiO_2/γ-Al_2O_3催化剂的 TPR 实验  45-46
    4.3.4 Pd/γ-Al_2O_3与 Pd@SiO_2/γ-Al_2O_3催化剂的三效催化活性  46-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章 Pd 负载混合载体催化剂的制备、表征及催化性能研究  51-59
  5.1 前言  51
  5.2 Pd 负载混合载体催化剂的制备与表征  51
  5.3 结果与讨论  51-57
    5.3.1 Pd/A+CZ 与 Pd@SiO_2/CZ 催化剂的晶相结构  51-52
    5.3.2 Pd 负载混合载体催化剂的比表面积、孔径及其分布  52-53
    5.3.3 Pd 负载混合载体催化剂的 TPR 实验  53-54
    5.3.4 Pd 负载混合载体催化剂的三效催化活性  54-57
  5.4 本章小结  57-59
结论与展望  59-61
参考文献  61-67
攻读硕士期间所发表及待发表的学术论文  67-69
致谢  69

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 试剂与纯化学品的生产 > 催化剂（触媒）
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