本技术聚焦于低温催化分解N2O技术,介绍了一种以生物质作为表面结构控制剂的过渡金属氧化物催化剂。该催化剂在低温条件下展现出优异的N2O分解性能,为环境治理和节能减排提供了新的解决方案。
背景技术
氧化亚氮(N2
O)作为一种温室气体,不仅具有比CO2
和CH4
更强的全球变暖潜力,而且对平流层臭氧也有很强的破坏力。如今,硝酸和己二酸生产、化石燃料燃烧以及汽车尾气排放等各种人为活动已成为N2
O排放的主要来源,且排放总量呈逐年上升趋势。因此,在低温条件下高效催化分解N2
O以降低对环境造成的污染是人类迫在眉睫的处理方法。在众多催化分解N2
O的方法中,直接催化分解法因其设备简单、成本低廉、能耗少等优点成为消除N2
O的有效途径。到目前为止,不同类型的催化剂,如贵金属催化剂,过渡金属氧化物催化剂和离子交换沸石等,均已被发现可用于N2
O的催化分解。其中,以过渡金属氧化物为活性组分的过渡金属氧化物催化剂因其良好的氧化还原性能、热稳定性和廉价的原料而被认为是最有前途的直接催化分解N2
O的催化剂,在N2
O的工业分解领域中具有巨大的潜力。
近年来,围绕非贵金属氧化物的主题出现了相当多的报道。特别是具有尖晶石结构的Co3
O4
,展示出优异的氧化还原性能和氧空位。由于其结构明确、制备方便、价格经济实惠等优势,广泛应用于CO氧化、CO2
加氢、水氧化、N2
O分解等领域。因其良好的氧化还原性能和热稳定性而被认为是最有前途的直接催化分解N2
O的催化剂。
Stelmachowski等人(Catalysis Science&Technology,2021,11(11):3737~3745)采用不同的合成方法制备了具有相同结构而形貌不同的尖晶石结构的Co3
O4
。所得前驱体在600℃下沉淀和随后煅烧产生,合成具有催化活性最优异的材料,而水热制备的前驱体在相同煅烧程序产生的催化材料性能最不理想。研究者发现,材料的功函数与催化剂纳米晶体的形态和气相分子的吸附而引起的化学性质变化有关。具有更大的、更强结晶度的催化剂具有最低的功函数和最弱的稳定吸附物的能力,也因而表现出最高的催化活性。
Kang等人(Catalysis Science&Technology,2024)制备了一系列碱/碱土金属掺杂的Co3
O4
尖晶石氧化物,应用于催化分解N2
O。研究结果表明,碱/碱土金属离子的掺杂导致M-Co3
O4
发生晶格畸变,晶粒尺寸减小,比表面积增大,活性位点数量增多。通过一系列表征发现,M-Co3
O4
催化剂具有较高的晶格氧迁移率,易于形成更多的氧空位。这些氧空位参与了N2
O的分解,并协同促进了Co2+
活性位点的反应循环。
Tursun等人(Catalysis Communications,2015,65:1~5)采用共沉淀法向Co3
O4
中添加大半径金属Bi,研究表征发现,Co3
O4
的平均晶粒尺寸显著降低,催化剂的比表面积和活性位点明显增多。在Bix
Co催化剂优化的Bi0.02
Co催化剂上,在400℃、20000h-1
的GHSV条件下,Ar中2000ppmv的N2
O被完全分解。此外,该催化剂表现出较强的抗CO2
能力,在400℃,10vol.%CO2
存在条件下,催化剂的N2
O转化率仍稳定在95%以上。
尽管如此,在直接催化分解N2
O催化剂研究领域,以传统的方法制备Co3
O4
催化剂具有活性较低,工艺较为复杂,成本较高等缺点。在以上研究背景下,新的催化剂制备方法的提出和发展显得尤为重要。对于过渡金属氧化物而言,表面缺陷位点作为催化分解N2
O的活性位点,在反应中起着至关重要的作用。而如何提升催化剂的活性位点数目以及单个活性位点性能,则成了提升催化剂性能的突破点。
实现思路