杜玉成(1963-),男,博士,高级工程师. E-mail:ychengdu@biut.edu.cn
以三维有序介孔分子筛KIT-6为模板剂制备碳模板, 七钼酸铵为钼源, 采用超声辅助下的真空浸渍法, 合成了三维(3D)有序介孔、蠕虫状介孔MoO3。采用TEM、HRTEM、SAED、XRD、TG/DT、N2吸脱附等对材料物理性能进行了表征。采用H2-TPR、甲苯和一氧化碳完全氧化等对催化性能进行了评价。研究发现: 制备的三维有序介孔MoO3为正交相晶体结构, 比表面积194 m2/g; 在转化率分别为50%、90%、100%时, 甲苯的起燃温度分别为203℃、215℃、225℃; CO起燃温度分别为114℃、158℃、180℃。3D-MoO3优良的催化性能与高比表面和三维有序介孔架构密切相关。
Three-dimensional (3D) ordered and wormhole-like MoO3mesoporous structures were synthesized based on ultrasound-assisted vacuum impregnation method. Carbon template was used in the synthesis process, which was prepared by using mesoporous molecular sieve KIT-6. Hexaammonium molybdate acted as molybdenum source. The as-prepared MoO3samples were characterized by transmission electron microscope (TEM), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis/differenctial scanning calorimetry (TG/DSC), and N2 adsorption-desorption measurement. The catalytic performance of MoO3mesoporous structure was evaluated by hydrogen temperature-programmed reduction (H2-TPR), and complete oxidation of toluene and carbon monoxide (CO). It was found that the initiation temperatures of toluene were 203℃, 215℃ and 225℃, respectively, and the initiation temperatures of CO were 114℃, 158℃ and 180℃, respectively, with their conversion rates of 50%, 90% and 100%, respectively. The well catalytic performance was attributed to 3D ordered mesoporous structure and high surface area of as-obtained MoO3 materials.
催化燃烧是消除挥发性有机物(VOCs)和一氧化碳(CO)的有效途径之一, 选取性能优异的催化剂非常关键[ 1, 2]。贵金属催化剂对VOCs和CO的低温催化活性最好[ 3, 4], 但是其价格昂贵、易烧结和易挥发, 限制了广泛应用。体相贱金属氧化物在高温条件下对VOCs和CO的氧化具有良好的催化性能[ 5], 但在低温下却不能完全催化燃烧VOCs和CO, 使得这类材料的低温催化活性受到影响。研究表明, 氧化锰、氧化钴和氧化钼、氧化镧等过渡金属氧化物对 VOCs 和 CO 的氧化燃烧显示出良好催化活性[ 6, 7, 8]。正交相MoO3因其独特的层状结构及Mo的可变价态, 在催化剂领域具有潜在的应用价值[ 9]。氧化钼的多孔性及孔结构的有序性, 可大大增加其表面催化活性。因此, 三维有序介孔结构氧化钼的制备, 有望改善其低温催化性能。
介孔MoO3的研究以模板法制备为主, 如Shi等[ 10]以KIT-6为模板剂, 以磷钼酸、H3PMo12O40为钼源, 在90% Ar气氛中制备了比表面积66 m2/g的多孔氧化钼; Song等[ 11]以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂, 采用水热合成制备了比表面积257 m2/g氧化钼; Umbarkar等[ 12]以七钼酸铵为钼源, 采用溶胶-凝胶法制备了比表面积为180~583 m2/g氧化钼; Li等[ 13]以MCM-41为模板剂, 采用热扩散法制备出比表面积为246~859 m2/g氧化钼。但上述研究中, 样品高比表面以模板剂贡献为主。近年来, 软、硬模板法合成有序介孔过渡金属氧化物也有报道, 并可实现孔隙结构、颗粒形貌、比表面积可控。Kim等[ 14]以SBA-15作为模板剂, 硝酸钴、硝酸镍为钴源、镍源, 制备了二维有序介孔Co3O4和NiO。Wang等[ 15]采用SBA-15硬模板, 通过调控负载金属前驱体, 获得了介孔Co3O4和CeO2。Sinha等[ 16]以CTAB为模板, 以硝酸锰盐作为前驱体, 获得介孔氧化锰。Dai等[ 17, 18, 19]通过纳米调控技术, 以三维(3D)有序介孔材料作为硬模板, 制备了一系列介孔金属氧化物(如: 氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化钴、氧化钐、氧化铕)。到目前为止, 尚没有三维有序介孔结构氧化钼的报导。
本工作以KIT-6[ 20]为硅模板剂, 制备介孔碳模板, 采用真空辅助浸渍的二次模板法, 制备了三维有序孔结构MoO3, 并对其进行了催化性能表征。
实验用P123、正丁醇、正硅酸乙酯、蔗糖、四水合七钼酸铵为分析纯, 乙醇、HCl、NaOH为化学纯。
(1) KIT-6硬模剂的制备
将6 g P123溶解在217 mL去离子水中, 加入11.8 g浓HCl, 待P123完全溶解后加入6 g 正丁醇, 35℃搅拌1 h, 加入13 g正硅酸乙酯(TEOS), 35℃继续搅拌24 h。将混合物放入高压釜中, 置于100℃烘箱中恒温12 h, 将所得产物过滤, 分别用去离子水和乙醇洗涤三次、烘干、马弗炉中焙烧。
(2) 介孔碳的合成
将7.5 g蔗糖加入预先配制的硫酸溶液(36 g去离子水与0.84 g 98%浓硫酸)中, 待蔗糖完全溶解后, 将6 g 制备好的KIT-6硅模板加至上述溶液中, 混合物搅拌至水分几乎蒸发完, 转入80℃烘箱中加热6 h, 160℃加热6 h, 得到的粉末加入到含有蔗糖的硫酸溶液(4.5 g蔗糖加入36 g去离子水和0.48 g 98%浓硫酸混合液)中。重复上述操作, 得到的固体在900℃真空灼烧2 h, 10%HF溶液洗涤, 得到碳模板。
(3) 介孔氧化钼的制备
取0.5 g(0.3 g)碳模板剂置于锥形瓶中, 在0.09 MPa下抽真空60 min, 保持真空度。将20 mL浓度为0.02 mol/L的(NH4)6Mo7O2水溶液滴加到锥形瓶中, 超声波处理至锥形瓶中无多余溶液, 得到中间产物。将中间产物置于60℃烘箱中干燥; 在氮气气氛的管式炉中500℃灼烧2 h, 去除碳模板。
对最终样品进行XRD、TEM、HRTEM、TG/DT、N2吸脱附、TPR、催化性能等测试。XRD(2 θ=10°~70°)采用D/MAX-Ⅱ型X射线衍射仪进行分析, TEM、HRTEM采用JEOL JEM-2010型仪器进行观测。TG/DT采用SDTQ600, 升温速率10℃/min进行测试。N2吸附/脱附测定采用麦克公司ASAP2020。H2- TPR(氢气程序升温还原)采用II 2920(Micromeritics)仪器, 室温至700℃范围内, 样品在400℃、空气流速为25 mL/min条件下处理1 h, 再冷却至室温。样品在5%H2、95%Ar(25 mL/min)中还原, 升温速率为10 ℃/min。使用热传导检测器(TCD)对出口气体进行分析。
催化剂活性评价采用连续流动石英微反应器(i.d.=4 mm)收集样品。反应原料为(1)1000 mg/L的甲苯+氧气+氮气(平衡), 总流量为33.3 mL/min, 甲苯/ 氧气的摩尔比=1/400, 空速(SV)为 ca. 20000 mL/(gh); (2)1%一氧化碳+氧气+氦气(平衡), 总流量为100 mL/min, 一氧化碳 : 氧气的摩尔比= 1: 1, 和空速(SV)为60000 mL/(g•h)。采用气相色谱仪(岛津GC-2010)配备火焰离子化检测器对微反应器排出气体进行分析。
起燃温度和转化率实验条件: 甲苯的浓度是 1000 mg/L, 甲苯与氧气的摩尔比是 1 : 40, 空速是 20000 mL/(g•h)。CO的浓度为1%, 与氧气摩尔比是 1 : 1, 空速为60000 mL/(g•h)。
空速和CO/O2摩尔比实验条件: 甲苯的浓度1000 mg/L, 甲苯与O2摩尔比1: 400, 空速分别为: 5000、20000和40000 mL/(g•h)。CO的浓度为1%, 空速为60000 mL/(g•h), CO/O2摩尔比分别是 1: 1、1: 10和1: 50。
催化剂寿命实验条件: 甲苯浓度为1000 mg/L, 甲苯与氧气摩尔比1/400, 空速为20000 mL/(g•h)。CO 浓度为1%, CO/O2 摩尔比是1:1, 空速为 60000 mL/(g•h)。
在研究(NH4)6Mo7O2溶液浓度、浸渍工艺条件、焙烧工艺条件后, 考察了(NH4)6Mo7O2与模板剂质量比(增大或减小模板剂质量)对所制备有序介孔结构氧化钼的影响。
图1(a)~(f)为所制备的KIT-6模板剂(图1a)、碳模板剂(图1b)、模板剂用量为0.3 g(图1(c), (d))、0.5 g(图1(e)、(f))制备样品(样品标记分别为MoO3-0.3、MoO3-0.5)的TEM和HRTEM图片。由图1(a)、1(b)可知, KIT-6模板剂、碳模板剂均具有良好的三维有序介孔结构, 孔径约为5~8 nm。图1(c)为蠕虫状介孔结构MoO3, 孔结构由颗粒堆积而成, 具有三维虫孔结构特征。图1(e)为三维高度有序介孔结构的MoO3, 其孔径约为8~10 nm。从高分辨率的透射电镜图像中(图1(d)、图1(f))可以观察到清晰的晶格条纹, 表明所制备MoO3具有良好的结晶度。MoO3-0.3和MoO3-0.5样品(110)、(040)和(021)晶面的晶格间距分别为0.370、0.341和0.321 nm, 与正交相晶体系MoO3(JCPDS 05-0506)所对应的晶面参数标准值(0.3820、0.3470和0.3270 nm)接近, 表明样品MoO3-0.3和MoO3-0.5优先暴露的是(110)、(040)和(021)晶面。样品MoO3-0.3和MoO3-0.5的电子衍射图样均为衍射环(图1(c)、1(e)插图), 表明所制备的MoO3样品是多晶。
图2(a)、2(b)分别为MoO3-0.5样品的广角XRD、小角XRD图谱。由图2(a)可知, 样品为标准的正交相MoO3晶体, 所对应特征衍射峰(110)、(101)、(111)、(021)、(040)、(060), 与MoO3 标准峰值(JCPDS 05-0506)非常吻合, 说明500℃焙烧前驱体可获得正交相MoO3。结合TG/DT分析(图3(a)), 100~150℃发生自由水失重(0.5%); 150~300℃为第一阶段, 失重量为6.1%, 由样品失去一部分结晶水造成; 300~ 450℃为第二阶段, 失重总量为1.6%, 由样品失去另一部分结晶水造成。在热失重过程中, 不同温度段失去结晶水, 是由于这些结晶水与MoO3之间的结合力不同引起的。450℃以上为直线, 说明此时样品的热失重结束。
小角XRD是介孔结构材料是否有序的重要判 据, 由图2(b)可知, 样品MnO2-0.5在2 θ = 0.90o, 存在较强的衍射峰, 表明样品介孔结构具有良好有序性。
图3(b)为样品MoO3-0.5的N2吸-脱附曲线和孔径分布(插图)。由图3(b)可知, 样品在 p/ p0的0.4~1.0范围之间具有典型的IV型等温线, 表明样品存在介孔结构特征[ 21]; 样品MoO3-0.5伴随着H1型迟滞环, 存在大小均匀、形状规则的孔穴, 即高温焙烧后样品中孔径分布变得单一(孔径8.5 nm), 与TEM相吻合。
样品MoO3-0.5平均孔径、孔体积和比表面积分别为6.5 nm、0.67 cm3/g和194 m2/g, 虽然较模板剂比表面积(碳模板780 m2/g)有较大的下降, 但为高比表面金属氧化物催化剂, 这是由于样品MoO3-0.5的介孔是通过MoO3骨架的3维连接形成的, 即有序介孔结构导致自身较大的比表面积, 与样品TEM测试(图1(e))非常吻合。
2.4.1 H2-TPR分析
图4分别为样品MoO3-0.5、MoO3-0.3、MoO3-bulk (无模板剂条件下制备的MoO3样品)的H2-TPR 曲线(图4(a))和初始氢气消耗速率(图4(b))。由H2-TPR谱图可看出, MoO3-bulk样品仅在510℃处检测到一个弱的宽广还原峰; 样品MoO3-0.3分别在280℃和 406℃处出现了两个弱而宽广的还原峰; 样品MoO3-0.5分别在270℃和384℃处存在两个强的还原峰。表明具有三维介孔结构的MoO3-0.5样品, 较虫孔结构MoO3-0.3样品和无孔结构的MoO3-bulk样品还原性强。通过H2-TPR数据的量化分析可知, 样品消耗氢气的量按照MoO3-0.5 > MoO3-0.3 > MoO3-bulk顺序递减, 说明MoO3-0.5样品低温还原性最好。初始氢气消耗速率是一个能更有效地评估样品还原能力的参数之一[ 22, 23], 图5(b)显示了所得MoO3 各样品的H2初始消耗速率与温度倒数的函数关系曲线, 各样品初始氢气消耗速率按照MoO3-0.5 > MoO3-0.3 > MoO3-bulk的顺序递减。
2.4.2 H6C6和CO起燃温度和转化率
图5为甲苯和一氧化碳氧化的转化率与温度 关系, 由图可知, 甲苯和一氧化碳的转化率随着温度的升高而增大, MoO3-0.3、MoO3-0.5样品的甲苯和一氧化碳催化性能明显优于样品MoO3-bluk, MoO3-0.5样品催化活性最好。由图5(a)可知, 当甲苯的转化率为90%时, MoO3-0.5、MoO3-0.3、MoO3-bulk三个样品的反应温度( T90%)分别为215℃、220 ℃、325℃, MnO2-0.5样品催化性能最好。由图5(b)可知, 当CO转化率为90%时, MoO3-0.5、MoO3-0.3、MoO3-bulk三个样品的反应温度( T90%)分别为158℃、178℃、266℃, MoO3-0.5样品催化活性最好。
图6(a)、(b)分别为不同空速和不同CO/O2摩尔比对MoO3-0.5样品催化性能的影响。由图6(a)可看出, 空速差别较大时, 催化剂的催化性能有明显不同, 较低空速下, 催化剂上甲苯的速率大, 反应温度较低, 大空速时, 甲苯的去除速率降低, 即在相同去除率情况下所对应的反应温度有所提高。由图6(b)可看出, CO/O2摩尔比增大, CO起燃温升高; 在同一起燃温度条件下, CO/O2摩尔比增大, CO转化率降低。
图7是在MoO3-0.5样品上, 甲苯或一氧化碳的转化率达到 100%时(反应温度分别为 180℃和150℃对CO 氧化; 230℃和240℃对甲苯氧化)的寿命实验。从图7可见, 甲苯和一氧化碳氧化的转化率在98%~ 99.8%的范围内波动, 催化剂没有出现明显的活性降低趋势, 说明MoO3-0.5在这个实验条件下是稳定的。
1) 以三维有序介孔分子筛KIT-6为模板剂制备三维有序介孔结构碳模板, 四水合七钼酸铵为钼源, 采用超声辅助下的真空浸渍法, 制备出三维有序介孔结构氧化钼。所制备样品(MoO3-0.5)为正交相晶系结构, 比表面积为194 m2/g。
2) H2-TPR还原性、甲苯和CO起燃温度、转化率催化性能测试表明, 3D-MnO2-0.5样品具有良好的还原性、催化活性和稳定性。甲苯与CO转化率分别为50%、90%、100%时, 甲苯的起燃温度分别为203℃、215℃、225℃; CO起燃温度分别为114℃、158℃、180℃。