文章简介
Flame made low Pt loading catalysts supported on different metal oxides for catalytic combustion of CO and CH4
火焰喷雾热解合成铂基金属氧化物负载型催化剂及催化氧化活性识别【第一作者】徐祖伟
【通讯作者】赵海波
【通讯单位】华中科技大学
【DOI】10.20517/energymater.2024.33
图文摘要
导读
催化氧化被认为是消除能源动力设备排放中未燃尽碳氢化合物的有效途径。负载型贵金属催化剂在商业应用中是首选，因为它们具有同时去除CO、CnHm和NOx的优异催化性能。为了克服贵金属催化剂面临的成本高、稳定性差、原子利用率不足等问题，我们采用火焰喷雾热解法一步合成具有单原子、团簇分散特性的纳米负载型催化剂，并对催化活性进行溯源。
正文简介
本文采用火焰喷雾热解法合成了不同载体（TiO2、ZrO2、MgO 和 ZnO）负载的铂基催化剂，通过CO催化燃烧性能测试发现， 所有样品中Pt/TiO2样品的CO催化燃烧活性最为显著，T90低至107°C。0.5Pt/TiO2样品 (Pt/Ti原子比率0.5%) 在700 °C下进行420分钟的CH4催化燃烧测试，CH4的最终转化率下降约5％，表现出良好的稳定性以及抗水性能。XRD分析表明，TiO2载体是以锐钛矿为主、金红石为辅的混合晶相结构，而ZrO2、MgO和ZnO载体为纯相。XPS分析表明，Pt/TiO2样品中Pt主要以高价氧化态Pt4+的形式存在，随着Pt含量的增加，金属态Pt0的比例逐渐增加。H2-TPR测试表明，Pt/TiO2具有更好的氧化性能和低温性能优势，Pt与TiO2的相互作用有效地提高了催化剂的氧化能力，促进了TiO2中晶格氧的释放。O2-TPD结果表明，随着Pt含量的增加，样品的氧脱附峰温度逐渐降低，氧脱附量逐渐增加。高角环形暗场扫描透射电镜观察进一步表明，当Pt负载较低时，Pt以高度分散的单原子形式存在于TiO2表面。随着Pt负载的逐渐增加，Pt从单原子态转变为团簇态。为了更客观地评价催化剂性能，与其他工作通过浸渍法制备的Pt/TiO2、Pt/Al2O3催化剂进行对比，本研究火焰喷雾热解法合成的Pt/TiO2具有更低的转化温度和更高的TOF值。此外，定性描述了CO和CH4在两种典型催化剂（0.1Pt/TiO2、0.5Pt/TiO2）上可能的反应模式。CO和CH4均通过Mars-van Krevelen （MvK）机制反应，不同之处在于CO反应的活化中心是单原子Pt，而CH4反应的活化中心是Pt团簇。
图1 火焰喷雾热解系统装置图
图3 Pt/TiO2 催化剂的 CH4 催化燃烧测试曲线
图4 0.5Pt/TiO2 催化剂的循环稳定性测试及抗水性测试
图5 不同 Pt 负载量的 Pt/TiO2 样品的 O 1s XPS 谱图及Pt0、Pt2+和 Pt4+的原子比
图6 H2-TPR及O2-TPD测试
图9 CO和CH4在Pt/TiO2上的催化氧化反应模式示意图
结论与展望
火焰喷雾热解(FSP)作为一种可规模放大的合成技术，制得的材料具备自然的温度耐受性，其高温环境能使活性金属达到原子级分散，快速淬火过程可将单原子冻结在载体表面，具有提升贵金属催化剂分散度和热稳定性的本征优势。本文充分利用FSP的特点和优势，获得混合相TiO2载体支撑Pt单原子、团簇分散特性的纳米负载型催化剂，提升催化活性和稳定性。
基金支持
国家自然科学基金（52376111、51920105009）、
湖北省重点研发计划（2022BCA087）、
湖北省自然科学基金（2021CFB251）、
湖北省教育厅基金（Q20213002）
作者介绍
通讯作者：赵海波，华中科技大学能源与动力工程学院二级教授、博士生导师，煤燃烧与低碳利用全国重点实验室副主任，国际燃烧学会Fellow，获得国家杰出青年基金、优秀青年基金、霍英东基金等，入选中组部“万人计划”青年拔尖人才、教育部“青年长江学者”、洪堡学者、华中卓越学者。
第一作者：徐祖伟，华中科技大学能源与动力工程学院副教授，主要从事能源、环境相关功能材料的裁剪设计和可控制备。
引用此文
Xu, Z.; Zhang Z.; Gao F.; Zhu Y.; Zhao H. Flame made low Pt loading catalysts supported on different metal oxides for catalytic combustion of CO and CH4. Energy Mater. 2024, 4, 400076. http://dx.doi.org/10.20517/energymater.2024.33
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