纳米Pd催化剂的制备、表征及CO氧化反应活性

摘要

三效催化剂（Three Way Catalysts，简称TWCs），对汽车尾气中CO、HC和NOx等主要污染物可以同时具有很高的催化转化效率。而贵金属资源有限，新的机动车尾气排放法规日益严格，因此需要TWCs具有相对低的贵金属含量且具有较高的催化活性，需要在传统的TWCs制备方法上做出改进，找到新的突破。本文研究了超声膜扩散法（ultrasonic-assisted membrane reduction，UAMR）制备Pd纳米粒子，并从Pd纳米溶胶出发，制备了系列负载型纳米Pd催化剂，对其进行表征，考察其在三效催化模型反应中的反应性能。
　　 首先，采用正交试验设计探究UAMR法制备Pd纳米粒子的制备条件，并采用SEM，TEM和激光粒度仪对Pd纳米粒子进行了表征，确定UAMR法的制备最佳条件。结果表明，UAMR法制备的Pd纳米粒子形状为球形，单分散性较好。在平流泵流速10 mL·min-1，输液泵流速取100 r·min-1，金属溶液浓度取4×10-4mol·L-1，还原剂摩尔比例取5:1，保护剂摩尔比取20:1，超声波频率取0 Hz，膜管尺寸为40 nm的条件下制备得到的Pd纳米粒子粒径最小，分散性好。
　　 然后从制备Pd纳米溶胶出发，选取γ-Al2O3、TiO2、SiO2、CeO2和Ce0.5Zr0.5O2五种不同载体，制备负载型纳米Pd催化剂，采用N2吸-脱附，XRD，TPR和ICP对催化剂进行了表征，并考察比较了各催化剂对CO+O2的催化活性差别。结果表明，催化剂Pd/Ce0.5Zr0.5O2具有较高的活性，其金属负载量最低，仅为0.27 wt％，为提高催化剂活性的同时降低贵金属用量提供了可能。
　　 最后研究催化剂Pd/Ce0.5Zr0.502和Pd/Al2O3，负载量为1 wt％为采用不同的方法制备了系列负载型Pd催化剂，深入研究催化剂的结构、形貌以及活性组分的结构组成、价态，金属分散度对催化活性的影响。结果表明，催化剂的活性与催化剂表面活性组分的氧化态和表面相对含量有关。Pd的高氧化态有利于CO催化氧化反应，催化剂表面的Pd物种对催化活性起到重要作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 催化科学的发展与纳米催化

1.3 纳米催化科学研究取得的重要进展

1.4 负载型Pd纳米催化剂的研究现状

1.4.1 负载型Pd纳米催化剂的制备

1.4.2 负载型Pd纳米催化剂催化性能的影响因素

1.5 本论文的工作思路及主要内容

第2章 实验部分

2.1 实验主要试剂药品及设备

2.1.1 实验所用化学试剂药品

2.1.2 实验所用仪器设备

2.2 实验装置图及反应原理

2.3 Pd纳米粒子的制备与表征

2.3.1 金属前驱体溶液的配制

2.3.2 Pd纳米粒子的制备

2.3.3 Pd纳米粒子的表征

2.4 负载型Pd纳米催化剂的制备、表征与活性研究

2.4.1 载体CeO2、Ce0.5Zr0.5O2的制备

2.4.2 从Pd纳米溶胶出发制备负载型Pd催化剂

2.4.3 从Pd纳米溶胶出发制备Pd/Al2O3和Pd/Ce0.5Zr0.sO2催化剂

2.4.4 浸渍法制备负载型Pd金属催化剂

2.4.5 负载型Pd催化剂的表征

2.4.6 负载型Pd催化剂的活性评价

2.5 相关计算公式

2.5.1 CO转化率计算

2.5.2 摩尔转化频率计算

第3章 正交实验研究UAMR法制备Pd纳米粒子

3.1 引言

3.2 正交实验设计

3.3 极差分析和方差分析

3.4 结果与讨论

3.4.1 Pd纳米粒子形貌表征

3.4.2 实验结果的极差和方差分析

3.4.3 各反应因素对Pd纳米粒子粒径的影响

3.4.4 最佳制备条件验证

3.5 小结

第4章 从Pd纳米溶胶出发制备不同载体的催化剂

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 Pd纳米粒子的制备

4.2.2 从Pd纳米溶胶出发制备负载于不同载体上的负载型Pd催化剂

4.3 结果与讨论

4.3.1 Pd纳米粒子的UV vis表征

4.3.2 Pd纳米粒子的形貌表征

4.3.3 催化剂表征结果与讨论

4.3.4 催化反应活性（CO+O2）

4.3.5 催化剂Pd/Ce0.5Zr0.5O2 UAMR的研究

4.4 本章小结

第5章 从Pd纳米溶胶出发制备Pd/CeZrO/Al催化剂

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 Pd纳米溶胶的制备

5.2.2 Pd/Ce0.5Zr0.5O2和Pd/Al2O3催化剂的制备

5.3 结果与讨论

5.3.1 催化剂表征结果与讨论

5.3.2 金属负载量和金属分散度结果讨论

5.3.3 HETPR结果讨论

5.3.4 XPS结果讨论

5.3.5 催化剂反应活性（CO+O2）

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间所发表的学术论文

致谢