Cu基催化剂中Cu元素的氧化状态对HCHO氧化反应的影响

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Cu金属原料易得,经济成本低,Cu基催化剂在CO氧化、甲苯氧化等领域有优异的催化性能,但在关于HCHO氧化反应的研究相对缺乏;同时,金属的氧化状态也是影响HCHO氧化反应的关键因素,一般认为,贵金属催化体系中还原态的金属作活性组分,而在过渡金属催化体系中金属氧化物作活性组分,但是关于过渡金属的价态对HCHO催化反应影响的研究较少。因此,本课题制备Cu基催化剂,研究Cu元素的氧化状态对HCHO氧化反应的影响,研究内容如下:(1)以催化剂中Cu元素的氧化状态为主要考察因素,排除催化体系中载体和活性组分之间的相互作用对反应的影响,选择惰性载体SiO2,采用浸渍法制备Cu/SiO2催化剂。用H2将催化剂Cu/SiO2催化剂还原,并和N2预处理Cu/SiO2催化剂对照,活性测试结果表明还原后的催化剂HCHO氧化性能优于未还原的催化剂。催化剂表征结果表明,HCHO更容易吸附在还原处理的Cu/SiO2催化剂表面,并且经过还原Cu/SiO2催化剂的表面氧物种更为活泼。(2)惰性载体SiO2不利于活性组分的分散,因此采用浸渍法制备Cu/Zr O2催化剂,使用活性炭和氢气还原两种不同还原方式对Cu/Zr O2催化剂进行还原,并和氮气预处理的催化剂催化性能进行对照;研究结果表明Cu/Zr O2催化剂中Cu元素被还原后其HCHO氧化性能优于Cu元素未被还原的Cu/Zr O2催化剂,并且活性炭还原后的催化剂性能优于氢气还原后的催化剂,归因于是还原过程中Cu物种向活性炭表面扩散迁移。(3)为了进一步考察活性炭和Cu物种之间的相互作用对催化剂催化氧化性能的影响,采用浸渍法制备Cu/AC催化剂,并在氮气保护于不同温度对催化剂进行预处理。结果表明,随着还原温度升高,Cu/AC催化剂中铜物种还原程度升高,并依次形成Cu O,Cu2O和Cu为主要成分的催化剂,催化剂的催化氧化活性随预处理温度升高到最大值后降低。活性炭不仅可以提高催化剂的表面积,增加铜组分的分散度,并且可以起到还原剂的作用,形成低价态的铜物种,而低价态铜物种表面再氧化形成的氧物种比较活泼,决定着催化剂的高氧化性能。此外,活性炭还可以有助于形成氧空穴,通过电子传递效应增强铜物种附近的电荷密度,从而进一步提高甲醛催化氧化活性。
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