应用化学专业实验钙钛矿SrMnxFe1-xO3.doc

应用化学专业实验钙钛矿SrMnxFe1-xO3钙钛矿催化材料的l制备及其性能研究一、实验目的了解催化燃烧的现状了解钙钛矿催化剂的结构和应用掌握共沉淀法制备复合氧化物催化材料的方法与原理。了解氢还原(TPR5080)、X-射线衍射仪(型号:BRUKERD8ADVANCE)、比表面测定仪(型号:GeminiV2380)、同步热分析仪(型号:SDTQ600)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子谱(XPS)等表征手段和原理掌握微型反应器的使用。二、,世界能源的枯竭和世界日益严重的环境污染越来越成为人类生存的主要问题。天然气是蕴藏在地下的烃和非烃类气体混合物,主要组分为烃类气体,包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等低分子烷烃及其异构体,其中甲烷体积含量常达80-90%或更高,非烃类气体常见的有H2S、CO2、N2和H2O等,经分离和脱硫后,已基本上不含硫和其它有害杂质。天然气以其清洁、高热值、对环境有益等突出的优点而越来越受关注,现已逐渐掺杂石油气成为气体燃料的主体。但是,当把天然气作为能源使用时,目前普遍采用的方式是传统的燃烧方式。这种方式的能量利用率不太高,并释放出大量有害气体,如NOx、CO、HC等,NOx会造成酸雨和光化学烟雾,CO、HC等气体也对环境造成严重危害。同时,这三种污染物也直接危害人类的健康。随着各国工业的进一步发展,这两个问题日益突出。为提高现有能源的利用率和解决燃烧造成的环境污染问题,Pfefferle最早提出了催化燃烧的概念。虽然天然气被誉为高效、清洁的“绿色能源”,但目前作为能源使用的天然气绝大多数是传统的燃烧方式加以利用。研究表明,传统的燃烧方式有两大缺点:能量利用率低,同时易形成NOx等污染物。因此很有必要大力开发、应用先进的能源利用技术,从根本上提高能源使用效率,并在源头降低或避免污染物的产生。催化燃烧技术除用于天然气发电外,还可用于汽车尾气净化、有机污染物消除、化学反应原位供热、普通民用与商用加热器和锅炉等等。从科学原理上讲催化燃烧是能达到能量利用率最高和污染物产生最少的理想状态。未来的所有燃烧,包括气体(天然气、石油气、煤气等),液体物质(各种燃油)和固体(煤、木材等)燃料的燃烧,都将向催化燃烧发展,这是科学发展和人类社会进步的必然。催化燃烧技术正是这样的一种先进能源利用技术。这也是各国近二十多年来致力于催化燃烧研究的原因。催化燃烧技术还有安全性高、容易控制、效率高等一系列的优点,因此催化燃烧技术一经提出就引起了人们的重视,目前已经越来越受到了人们的关注。未来的所有燃烧,包括气体(天然气、石油气、煤气等),液体物质(各种燃油)和固体(煤、木材等)燃料的燃烧,都将向催化燃烧发展,这是科学发展和人类社会进步的必然。因此,天然气(甲烷)催化燃烧的应用研究是具有重要的理论意义。甲烷是天然气的主要成分,但甲烷是最稳定的烃类,通常很难活化或氧化,且甲烷催化燃烧工作温度较高,燃烧反应过程中会产生大量水蒸气,因此甲烷催化燃烧催化剂必须具备较高的活性和较高的水热稳定性,以及一定的抗中毒能力。其燃烧总的反应方程如下:CH4+2O2=CO2+2H2O⊿H298=-,因此开发高效稳定的甲烷低温催化燃烧催化剂引起国内外研究者极大的兴趣,同时进行了大量相关研究,并取得了一定的成果。关于甲烷催化燃烧反应催化剂的制备及性能目前研究较多的是贵金属催化剂和以钙钛矿型及六铝酸盐型为代表的金属氧化物催化剂,因此本实验以制备钙钛矿型催化剂为研究对象。:ABO3(A=La、Sr、Ba,B=Co、Mn、Cr)。图1表示钙钛矿的晶体结构,B位阳离子与六个氧离子形成八面体配位,而A位阳离子位于由八面体构成的空穴内呈十二配位结构,O位于立方体各条棱的中心。这类催化剂对甲烷的燃烧活性主要依赖B位组分的氧化物。Mn和Co因为高催化活性,已成为钙钛矿型金属氧化物催化剂B位组分研究的焦点,而La则是A位阳离子广泛研究的对象,最具代表性的是镧锰(LaMnO3)催化剂或镧钴(LaCoO3)催化剂。当部分掺杂A,B位的阳离子时,催化剂的催化性能可发生显著改变。La1-xAxMnO3或La1-xAxCoO3(A=Ce,Sr,Eu,Cu,Ag,Mg等)就是其中的代表。图1-3钙钛矿的复合氧化物结构图Ferri等也报道了LaCoO3催化剂具有高活性,在500℃就实现了甲烷的完全氧化。Choudhary考察了不同B位元素对催化剂甲烷燃烧活性的影响,发现LaCoO3和LaFeO3活性最高,其次是LaMnO3,而LaNiO3,LaRuO3的活性较低。他们认为B位元素的改变比A位元素的改变对催化剂活性的影响更大。然而,对Sr部分掺杂La的La