500℃焙烧后钯催化剂的XRD谱图
挥发性有机污染物(VOCs)是一类组成广泛的大气污染物, 其来源于很多工业和商业过程.挥发性有机污染物毒性大, 会污染大气环境, 并危害人体健康. 在控制VOCs排放的众多技术中, 催化燃烧以其处理效率高, 不产生二次污染和较低的能量消耗的优势受到了越来越多的关注.目前催化氧化VOCs废气的催化剂主要有贵金属和非贵金属两大类. 其中负载型Pd、Pt贵金属催化剂以其催化活性高, 耐热性能好, 使用寿命长, 被认为是VOCs催化消除最有应用价值的催化剂.
制备贵金属催化剂通常采用浸渍法将贵金属负载到α-Al2O3、SiO2、TiO2等载体的表面, 该方法常导致贵金属在载体表面分散不均匀, 影响了催化剂的性能.
类水滑石(简称HTLCs)是一类层状结构材料,化学组成为[M1-x IIMxIII(OH)2]x+(An-)x/n·mH2O,其中MII是位于层板上二价金属离子, 主要有Mg2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+和Co2+等; MIII是位于层板上三价金属离子, 主要有Al3+、Fe3+、La3+等, An-为阴离子(有机或无机). 类水滑石层板上中心为MIII的八面体携带正电荷, 由于静电排斥作用使它们彼此远离, 从而使二价和三价金属离子相互高度分散. 因此该类材料以其调变空间大,活性组分均匀稳定, 制备工艺简单等特点, 作为催化剂或催化剂前驱物在催化氧化领域得到了广泛应用. 已有文献报道通过Co、Cu、Ni、Zn和Mn、Fe、Cr分别取代或部分取代水滑石中的Mg和Al形成不同类水滑石衍生氧化物具有较好的甲苯催化氧化性能.
利用类水滑石材料纳米床层结构, 可以将少量贵金属Pt2+或Pd2+引入到HTLCs, 再经焙烧制备高分散复合氧化物负载贵金属催化剂.Carpentier等采用共沉淀法, 以NaOH中和H2PdCl4、Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O的混合溶液制备了含Pd离子的类水滑石Pd/Mg3Al-HT,焙烧后制得的催化剂对甲苯完全氧化反应表现出了很高的催化活性. 但迄今为止,有关Pd插层系列水滑石中不同二价元素取代对催化剂结构和活性方面的影响,Pd与二价过渡金属氧化物在催化体系中存在的状态和作用未见报道.
中国科学院生态环境研究中心郝郑平等人采用共沉淀法制备了系列含Pd类水滑石材料,类水滑石基体为M3Al-HT(M=Mg,Co,Ni,Cu,Zn),经焙烧制备出含Pd类水滑石衍生复合氧化物催化剂.通过X射线衍射(XRD),热重-差热分析(TG-DTG), H2程序升温还原(H2-TPR),O2程序升温脱附(O2-TPD)和N2吸脱附等表征技术手段研究了不同二价金属元素对含Pd类水滑石衍生复合氧化物催化剂物理化学性质及其对挥发性有机污染物氯苯催化氧化性能的影响.
XRD和TG-DTG结果表明,不同二价金属元素, 除Cu外, 都能形成类水滑石层状结构,Pd在不同类水滑石前驱物中均能良好分散.不同的二价金属元素对催化剂性能的影响不同,其中Pd/Co3AlO催化剂表现出最高的氯苯催化氧化活性,其起燃温度和全转化温度分别为182和283℃.H2-TPR和O2-TPD测试表明,Pd和类水滑石衍生复合氧化物存在着协同作用,Pd的引入促进了复合氧化物的还原,从而影响氧化物的氧化还原性能.Pd/M3AlO系列催化剂的活性主要受催化剂的氧化还原性能及其表面活性氧物种的影响.