论文总字数：24846字

摘 要

通过催化氧化法将氯化氢氧化制成氯气能够实现氯资源的循环利用，是实现绿色化工生产和节能减排的重要途径。CeO₂因一定的催化活性和稳定性显示出良好的应用前景。但纯CeO₂催化活性还较低，进一步开发高活性和高稳定性的催化剂成为该课题的关键。为了获得更高活性铈基催化剂，本文采用溶胶凝胶一步法制备一系列SiO₂骨架镶嵌CeO₂纳米团簇的催化材料，利用ICP、XRD、Raman、SEM、TEM、N₂吸附-脱附、H₂-TPR和OSC等技术对催化剂进行了表征，并考察催化氯化氢氧化制氯气的性能，在此基础上进一步对催化剂结构和性能之间的构效关系进行探索。

表征结果显示CeO₂以纳米团簇镶嵌于SiO₂骨架中，表现高比表面积、丰富的孔结构、较强的氧化还原性能和储释氧能力。40CeO₂@SiO₂的HCl氧化催化活性最好，HCl空时为0.01562 g∙min∙ml^-1，氧氯比为1的条件下，40CeO₂@SiO₂在430 °C的氯气空时产率可以达到2.10 g_Cl2 g_cat^-1 h^-1。此外，40CeO₂@SiO₂催化剂表现出较优异的稳定性，在连续反应100h后活性不降。动力学结果显示，氯气的脱附仍是该反应的决速步骤。40CeO₂@SiO₂较完整的骨架结构和较小的CeO₂纳米团簇能够同时促进HCl和O₂的吸附和活化，表现出更高的HCl和O₂反应级数。

关键词：SiO₂气凝胶 CeO₂ HCl Cl₂ 催化氧化

Preparation and Catalytic Performance of CeO₂ @ SiO₂ in HCl Oxidation

ABSTRACT

Catalytic HCl oxidation to Cl₂ (Deacon process) could realize the cyclic utilization of Cl, and to be the most low-power to deal with chlorine emission. CeO₂ shows perferable catalytic HCl oxidation activity and stability. However, the activity of pure CeO₂ is still low, how to further improve the catalytic performance of CeO₂-based catalysts has become a hotpot. So, a series of CeO₂@SiO₂ were prepared via one step sol-gel method. Physio-chemical properties of all samples were investigated by means of ICP, SEM, TEM, Raman, H₂-TPR and OSC. Meanwhile, HCl catalytic oxidation performances were investigated. The structure-performance relationships of the catalysts were systemically studied.

CeO₂@SiO₂ showed the smaller CeO₂ nanoclusters, more complete skeleton and high specific surface area, which leading to the improved reducibility and oxygen storage capacity., 40CeO₂@SiO₂ exhibited the highest activity and the STY (space time yield) of Cl₂ reached to 2.10 g_Cl2∙g_cat^-1∙h^-1 with O₂/HCl=1, W_cat/F_HCl=0.01562 g∙min∙ml^-1 at 430 °C, and 40CeO₂@SiO₂ still maintains its STY of Cl₂ after 100 h on stream. Kinetic studies showed the desorption of Cl₂ from the surface of these catalysts is also the rate-determining step. Due its complete skeleton, higher specific surface area and smaller CeO₂ nanoclusters, 40CeO₂@SiO₂ is more beneficial to the adsorption and activation of oxygen species and HCl.

KEYWORDS: SiO₂ aerogel；CeO₂；HCl；Cl₂；Catalytic oxidation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1课题背景 1

1.2 HCl制Cl₂生产方法 1

1.3 CeO₂在氯化氢氧化反应中的应用 2

1.3.1 CeO₂催化剂的应用研究 2

1.3.2 改性铈基催化剂的应用研究 2

1.4 气凝胶材料的催化应用研究 3

1.5 研究思路和内容 4

1.5.1 研究思路 4

1.5.2 研究内容 4

第二章 实验部分 6

2.1 实验试剂和仪器 6

2.1.1 实验气体及试剂 6

2.1.2 实验主要仪器 7

2.2 催化剂制备 7

2.3 催化剂表征 8

2.3.1 ICP元素分析 8

2.3.2 X-射线衍射（XRD） 8

2.3.3 拉曼光谱（Raman） 8

2.3.4 N₂吸附-脱附测试 8

2.3.5 环境扫描电镜（SEM） 9

2.3.6 透射电子显微镜（TEM） 9

2.3.7 H₂程序升温还原（H₂-TPR） 9

2.3.8 储氧量（OSC） 9

2.4 催化剂性能评价 9

2.4.1 催化剂性能评价装置 9

2.4.2 催化剂活性测试 10

第三章 SiO₂镶嵌的CeO₂纳米团簇制备及其HCl氧化催化性能研究 11

3.1 催化剂的制备、表征及活性评价 11

3.1.1 催化剂的制备 11

3.1.2 催化剂的表征 11

3.1.3 催化剂的活性评价 11

3.2 催化剂的表征结果 12

3.2.1 XRD 12

3.2.2 Raman 13

3.2.3 N₂吸附-脱附结果 13

3.2.4 SEM 和TEM 16

3.2.5 H₂-TPR和OSC 16

3.3 催化剂的反应性能测试 18

3.3.1 催化剂活性考察 18

3.3.2 催化剂稳定性考察 21

3.3.3 催化剂动力学测试和机理分析 22

第四章 结 论 25

参考文献 26

致 谢 29

请支付后下载全文，论文总字数：24846字