催化学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (10): 1686-1693.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)60924-X
乔南利, 李杨, 李娜, 张鑫, 程杰, 郝郑平
Nanli Qiao, Yang Li, Na Li, Xin Zhang, Jie Cheng, Zhengping Hao
摘要:
催化氧化技术是挥发性有机物(VOCs)减排与控制的主流技术之一, 其关键之处在于高效催化材料的研究与开发, 负载型贵金属催化材料由于其低温下优越的VOCs催化氧化性能, 受到国内外研究者的广泛关注. 对于负载型催化剂而言, 载体的性质直接影响活性相的分散, 反应物和生成物的扩散与吸脱附, 是影响负载型催化剂性能的主要因素. 近年来, 多级孔结构硅基材料由于具有多级的孔道结构、高比表面积和大的孔体积, 逐渐成为VOCs催化氧化材料的研究热点.
本文采用溶胶凝胶法和浸渍法制备了系列双介孔结构硅基材料负载Pd催化剂(Pd/BMS-x), 通过控制合成过程中氨水的用量以调节催化剂的介孔结构分布. X射线衍射(XRD)结果表明, 所合成的Pd/BMS-x催化剂在~2.0°的衍射峰, 类似于MCM-41的(100)晶面衍射峰, 表明所有的样品均具有有序的介孔结构. N2吸脱附实验表明所有样品的比表面积均高于1000 m2/g, 孔径分布表明Pd/BMS-30样品为单一介孔结构, 而Pd/BMS-5~Pd/BMS-20样品具有2.64 nm以及18-45 nm范围内的双介孔结构, 且Pd/BMS-15样品介孔分布较为集中. Pd/BMS-x催化剂上甲苯催化氧化性能测试表明, 双介孔结构的Pd/BMS-5~Pd/BMS-20催化剂上甲苯催化氧化活性远高于单一介孔结构的Pd/BMS-30催化剂, 表明载体结构对催化剂性能有重要影响. 其中, Pd/BMS-15催化剂性能最佳(T90为228 ℃)且具有较强的稳定性, 250 ℃条件下, 反应持续60 h催化剂未见明显失活. SEM和TEM结果表明, Pd/BMS-15催化剂中Pd高度分散于载体上, 平均粒径在~3 nm左右. 而Pd/BMS-30催化剂中Pd颗粒间有明显的团聚, 平均粒径在8~17 nm之间. 分散度测试表明, 单一介孔结构的Pd/BMS-30催化剂, Pd分散度仅为27%, 而双介孔结构Pd/BMS-5-Pd/BMS-20催化剂介于39%到69%, 其中Pd/BMS-15催化剂中Pd分散度高达69%.
与常规单一介孔MCM-41和MCM-48负载Pd催化剂相比, 在低空速(42000 h-1)条件下, Pd/BMS-15催化剂上甲苯催化氧化性能与Pd/MCM-41和Pd/MCM-48催化剂相当. 高空速(70000 h-1)条件下, Pd/BMS-15催化剂的活性远高于单一介孔的Pd/MCM-41和Pd/MCM-48催化剂. Pd/BMS-15催化剂独特的双介孔结构, 有利于活性相Pd的分散、反应物的扩散和传输, 特别是在高空速条件下, 有利于反应物与活性相的接触, 提高了材料的氧化反应性能. 进一步考察了材料的水热稳定性, 将11 vol%的水蒸气引入到反应体系中, 测试结果表明水蒸气的加入导致Pd/MCM-41和Pd/MCM-48催化剂的甲苯催化氧化性能显著下降, 反应500 min后甲苯转化率分别从100%下降到76%和81%, 而对于Pd/BMS-15催化剂, 水蒸气的引入并未导致其活性明显下降, 从而表明Pd/BMS-15催化材料具有较高的水热稳定性.