非热等离子体改性Pt/CeO2催化氧化甲苯性能的研究

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我国VOCs污染形势依旧严峻,催化销毁技术是VOCs污染防治最行之有效的治理手段。通过非热等离子体改性技术能实现催化剂的优化,因此深入研究等离子体改性技术对高性能催化剂的开发和应用具有重要意义。本论文利用介质阻挡(DBD)等离子体放电改性Pt/CeO2催化剂,通过研究复合处理(等离子体与热还原相结合)过程中,不同等离子体作用顺序造成的催化剂性能差异,获得了高效的等离子体改性优化方案;通过比较催化剂在不同气氛等离子体中物化性质的变化,探究了放电气氛对催化剂改性的重要影响;通过结合等离子体对活性组分Pt和载体CeO2的直接作用,进一步探讨等离子体对Pt/CeO2活性位点的作用机制。主要实验结果和结论包括:采用了单一处理(等离子体或热还原)和复合处理(等离子体+热还原)分别对Pt/CeO2改性,活性评价结果表明等离子体能提高催化剂的反应活性,且复合处理的提升效果更显著。TOFs(Turnover of frequency)值的计算结果证明了Pt颗粒和氧空位都是等离子体改性催化剂催化氧化甲苯的重要活性位点。比较复合处理过程中不同等离子体作用顺序对催化剂的影响,发现先等离子体处理再热还原的改性方法能使催化剂的T100降低30°C,提高了催化剂对甲苯的降解效率。采用不同气氛等离子体改性催化剂,通过分析放电特性与催化剂反应活性之间的关系发现,一定范围内随着电场强度的提高,催化剂反应活性呈现明显增长。并且研究发现放电气氛的氧化还原性质对Pt/CeO2的影响更显著,H2等离子体处理后催化剂表现出最佳的催化活性,其T100=189°C,主要由于H2气氛放电产生的活性氢物种能促进Ce4+还原成Ce3+,并且形成较多Pt-O-Ce物种,由此增加了Pt/CeO2表面Ce缺陷,从而获得更好的催化活性。通过甲苯TPD、CO-Pulse和XPS等表征研究Pt/SiO2和CeO2在等离子体处理前后的性能变化,发现等离子体处理后催化剂表面Pt颗粒的分散度明显提升,并且形成的低配位Pt原子有利于Pt颗粒对甲苯的吸附解离;等离子体能直接影响载体CeO2表面氧空位的产生,加速中间产物向CO2的转化。结合理论分析推测,等离子体对Pt/CeO2的作用主要表现为提高活性金属分散度,促进Pt和CeO2强相互作用和氧空位的形成,因而显著提升催化剂氧化甲苯的能力。
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