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摘要
负载型贵金属催化剂在能源转化和环境污染控制等领域有广泛应用.相对于采用传统方法制备负载型贵金属催化剂,还原析出策略在控制贵金属的粒径,增强贵金属与载体相互作用方面具有独特的优势.但是在高温还原气氛下,贵金属析出的同时往往伴随着母体结构中其它元素的析出,这会对催化剂的性能产生较大影响.因此,理解催化剂在还原气氛下以及后续反应条件下的结构演变,对于催化剂的设计及制备具有重要意义.本文通过800℃还原Ru掺杂的LaFe0.9Ru0.1O3(LFRO)钙钛矿前驱体制备了贵金属析出的LFRO催化剂(LFRO800R),并用于丙烷催化氧化反应.活性测试结果表明,析出Ru催化剂的丙烷氧化性能远远低于原始的LFRO.当第一次反应结束,催化剂床层温度降至室温后再次评价其性能,LFRO 800R催化剂会发生“自活化”现象,在210℃下催化丙烷反应速率达到了22.3 molCO2·h-1·kgcat-1,是该温度下贵金属未析出LFRO催化剂的5倍,反应10 h后仍表现出较高的稳定性.为进一步研究LFRO800R在丙烷氧化反应中发生“自活化”的原因,在不同温度对LFRO 800R进行氧化处理,发现经过400℃氧化后得到的LFRO800R400O表现出最佳的丙烷催化活性.采用高分辨透射电镜、能量散射谱、漫反射红外傅立叶变换光谱、扫描电镜、X射线衍射、Raman光谱和X射线光电子能谱等方法对催化剂进行了表征,结果表明,经过800℃还原预处理,伴随着Ru从LFRO钙钛矿结构的体相中析出到表面,钙钛矿A位元素La也会析出并在RuFe(Ru占据主导)颗粒表面形成一层LaOx覆盖层,阻碍了反应物分子在活性位点Ru上的吸附与活化,导致LFRO 800R在丙烷完全氧化反应中的低温区间表现出失活的现象.而在400℃的氧化气氛处理下,该LaOx包裹层会从析出颗粒的表面完全去除,伴随着少部分界面处的Ru重新进入钙钛矿结构,大量有活性的Ru物种被暴露出来,因此催化剂表现出较好的丙烷催化氧化性能.活化后的LFRO800R400O催化剂中Ru的平均粒径为12 nm,远远小于负载型Ru/LFO800R400O催化剂的34 nm,说明还原析出策略在控制贵金属粒径方面有优势.综上,本文揭示了还原析出策略制备的Ru基钙钛矿催化剂的失活原因以及后续的氧化气氛中“自活化”的原因,为理性设计与制备高效的析出型贵金属催化剂提供了借鉴.
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单位华东理工大学; 理化学研究所
