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PtCu–TiO2催化剂在光催化、热催化及光热协同催化过程中

2022-03-02 14:42:52  来源:北京中教金源科技有限公司 浏览量:1141次
【导读】本文通过调整Pt-Cu双金属的元素比例,探究了PtCu–TiO2催化剂在光催化、热催化及光热协同催化过程中甲苯的降解情况。

  1. 文章信息

标题:Platinum−Copper Bimetallic Nanoparticles Supported on TiO2 as Catalysts for Photo−thermal Catalytic Toluene Combustion

DOI:10.1021/acsanm.1c03429

2. 文章链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.1c03429

3. 期刊信息

期刊名:ACS Applied Nano Materials

ISSN:2574-0970

2020年影响因子:5.097

分区信息:中科院2区;JCR分区(Q2)

涉及研究方向:材料科学

4. 作者信息:第 一作者是山东大学材料科学与工程学院硕士生齐园。通讯作者为山东大学王凤龙教授、刘久荣教授、吴涛研究员与蒋妍彦教授‍。

5. 文中所述设备由北京中教金源科技有限公司提供,CEL-GPPC

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文章简介:

空气中挥发性有机化合物(VOCs)的显著增加造成了严重的环境污染和人类健康问题。在各种去除VOCs的方法中,气相光热催化被认为是一种有效的方法,它具有能耗低、转换效率高的优点。近年来,贵金属Pt基催化剂因其在低温下的优异催化性能而受到广泛的研究,但贵金属的稀缺性极大地限制了其实际应用。因此,通过引入第二种丰量金属元素来降低贵金属的使用量,同时保持或提高催化性能成为解决这一问题的有效途径,逐渐受到了科研工作者的广泛关注。

本文通过调整Pt-Cu双金属的元素比例,探究了PtCu–TiO2催化剂在光催化、热催化及光热协同催化过程中甲苯的降解情况。主要实验结论如下:

1)通过硼氢化钠一步还原法制备得到不同质量比的Pt–Cu/TiO2催化剂,用于流动体系中甲苯的催化降解。结构表征表明,金属纳米粒子尺寸在2–4 nm,均匀分布在锐钛矿型TiO2 (20 ~ 60nm)表面。此外,高倍透射观察发现金属纳米颗粒的晶格条纹介于Pt(111)与Cu(111)之间,EDX元素面扫证明在双金属颗粒中,Pt与Cu均匀分布,从而证明了固溶体合金的形成。合金固溶体内部Pt元素与Cu元素有着较强的相互作用关系,从而能够有效调控金属的电子结构,对其与催化反应物、中间产物、产物的有着明显的调节作用。通过优化两种金属元素的相对含量,有望获取超过单独Pt元素存在的催化性能,基于此开展了一系列研究内容。


2)探究了不同质量比的Pt–Cu/TiO2催化剂对于光催化、热催化及光热催化降解甲苯的性能。在单独的热催化或光催化条件下,Pt与Cu质量比为4:1的催化剂(PT–4)表现出和纯Pt催化剂相近的性能。在光热耦合反应条件下,发现PT–4催化剂的甲苯降解性能超过了纯Pt催化剂,由此说明了PtCu合金催化剂的优越性,甲苯–TPD实验表明PtCu催化剂相对纯Pt催化剂来说,能够吸附更多的反应物,具有更多的反应活性位点。


3)为了更系统的探究光与热的协同作用,以PT–4催化剂为例,比较了其在光照下和无光照条件下的催化性能。在光照射下,甲苯的转化率可以达到55%,但如果没有外界的热作为催化过程的驱动力,转化率就不能再提高。当温度达到110 ℃时,PT–4催化剂光热耦合催化降解甲苯的效率接近100%,而在同样温度下热催化降解甲苯的效率不到1%。这意味着低温去除甲苯既需要光照射,也需要外部加热。因此,光和热是催化过程中不可缺少的,由此证明了光照和外加热量在催化甲苯降解过程中具有协同作用。


希望本文所做的工作能为未来设计在温和条件下光热催化降解VOCs的高效双金属合金催化剂提供启发式指导。文章DOI: 10.1021/acsanm.1c03429,原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.1c03429


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设备介绍:
CEL-GPPC升级版CEL-GPPCM微型光热催化微反系统适用于光热协同催化、光催化催化剂的评价及筛选,可做光催化的反应动力学、反应历程等方面的研究。主要应用到高温光热催化反应,光热协同催化,具体可用于半导体材料的合成烧结、催化剂材料的制备、催化剂材料的活性评价、光解水制氢、光解水制氧、二氧化碳还原、气相光催化、甲醛气体的光催化降解、VOCs、NOx、SOx、固氮等领域。


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400mm(宽)*700mm(高)*700mm(深)

系统采用石英反应器,可满足透光的要求,能进行高温的实验。系统采用加热炉给反应器加热,可保证反应过程中温度的稳定。

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系统设计为三条气路进料,配有1路气体吹扫,同时预留1路液路接口(可定量加入所需液体原料)。系统包括:进料稳流系统、反应恒温系统,产物收集系统、控制系统。

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系统柜体采用铝型材制作,采用配套的螺栓、螺母固定件,美观大方,维修拆卸方便。与管线连接处采用双卡套接头,更换反应器即可做高压实验和常规热催化反应。

技术参数:1.进料系统:3路反应进气(可扩展至4路),默认流量100mL/min;气体流量控制精度:±1%;配有1路吹扫气;配有1路液路接口。统装有配气出口,可单独做为配气系统使用。

2.反应器 :操作压力:微正压(主要用于克服系统的压力降);设计温度:≤800℃,配程序控温,开式加热炉;设计压力:常压, <0.6Mpa,反应区可恒定压力;催化剂装填量:0.1mg---10mg;材质:石英玻璃。

3.参数指标:压力显示精度:±0.01MPa;温度显示精度:±0.1℃;温度控制精度:±1℃;流量控制精度:±1%F.S

4.控制系统:系统采用控制模块加触屏计算机(含)联合控制,在触屏计算机上可实现100%仪表功能操作如实时读取测量值、给定值、设置参数、自动/手动切换、启动运行/停止程序,并具备数据存储和导出功能。

5.过程监视控制:实现对反应器的温度、气体流量的控制和显示。实现对反应过程中压力和反应器床层温度的监视。

6.实现对温度、压力的越限报警及连锁安全保护。温度为两级报警,温度高于第 一设定值时声光报警,高于第二设定值时自动停止加热;压力高于第 一设定值时声光报警,高于第二设定值时停止进料。

7.现场显示:反应器进口设有1块精细压力表,用于实时显示当前反应器的反应压力,同时匹配数显压力传感器控制屏显示。

8.控制界面:控制界面有带控制点的控制流程图、参数设置表、程序升温设置、报警窗口、历史数据以及各控制点的实时曲线和历史曲线,历史曲线保留时间永 久。



标签:PtCu–TiO2催化剂在光催化
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