鈀/鐵鉻鋁燒結氈整體催化劑表征及對甲苯催化性能研究*

李永峰，肖 月，文 武，高 敏，余 倩，余 林

（1.廣東工業大學輕工化工學院，廣東廣州 510006；2.廣東省石油化工研究院）

鈀/鐵鉻鋁燒結氈整體催化劑表征及對甲苯催化性能研究*

李永峰1，肖 月1，文 武2，高 敏2，余 倩1，余 林1

（1.廣東工業大學輕工化工學院，廣東廣州 510006；2.廣東省石油化工研究院）

采用新型的化學鍍技術在鐵鉻鋁（FeCrAl）燒結氈上直接負載貴金屬鈀（Pd），制備了不同鈀負載量的無過渡涂層的鈀基整體式燃燒催化劑。首先對該類催化劑進行掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）和X射線衍射（XRD）表征分析，結果表明：采用化學鍍技術，鈀組分能夠很好地在鐵鉻鋁燒結氈基體表面富集，催化劑的活性中心主要以金屬鈀晶相形式存在；而且在鈀負載量為0.3％（質量分數）時，鈀組分以0.3～0.5μm的規整球狀顆粒恰好在基體表面均勻分散并覆蓋完全。同時該類催化劑在甲苯催化凈化反應中表現出很好的低溫催化性能，可使甲苯在190℃起燃后，在220℃就迅速達到100％完全轉化，而且催化劑也顯示出良好的催化穩定性。

化學鍍；鈀基；甲苯；催化燃燒

揮發性有機化合物（VOCs）是一類主要的空氣污染物，給人類健康及環境帶來嚴重危害［1-2］。由于催化燃燒技術具有適用范圍廣、能有效處理低濃度廢氣、處理效率高、不會產生二次污染等優點［3-5］，目前已成為最有應用前景的VOCs銷毀方法之一。近年來，在催化燃燒凈化技術中，有關整體式催化劑在VOCs中的應用已經引起了人們的關注，其中以貴金屬Pt、Pd的整體式催化劑應用最為廣泛［3，6-11］。該類催化劑常用蜂窩陶瓷和蜂窩金屬等作為規整基體，但是對于蜂窩結構的整體式催化劑，反應物只能在孔道內進行有限的徑向混合，相鄰孔道間不能傳質，進而影響了整體催化劑的催化效率。三維連通纖維絲結構的燒結氈具有孔隙率高、比表面積大、導電性能好和機械強度高等優點，廣泛用作整體式催化劑的基體。筆者采用化學鍍法在FeCrAl燒結氈上制備了系列低貴金屬含量的Pd整體式催化劑，并測試了其對甲苯催化燃燒的性能。

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

FeCrAl燒結氈，PdCl2（分析純），硝酸（分析純），氫氟酸（分析純），丙酮（分析純），氨水（分析純），氯化銨（分析純），次亞磷酸鈉（分析純）。

1.2 催化劑制備

實驗采用化學鍍的方法在燒結氈基體表面負載活性組分Pd。首先，將基體剪成1.6cm×8cm規格，卷成疏松的蜂窩狀，使直通孔道的層間距為4～6mm，在丙酮中用超聲波洗滌除油10min，取出用蒸餾水沖洗干凈；將除油的基體置于40℃的HNO3-HF混合酸溶液（HNO3體積分數為20％，HF體積分數為2％）中浸泡約2min，取出用蒸餾水洗凈。然后，將基體在酸性PdCl2溶液中進行活化處理，使基體表面形成分散的活性位點；將其置于由2g/L的PdCl2、25％（質量分數）的氨水、0.675g的氯化銨以及0.5g的次亞磷酸鈉組成的化學鍍液（溫度為40℃）中開始反應，待反應完全后，將鍍好的催化劑取出并洗凈，在80℃下干燥，最后在空氣氣氛下在400℃焙燒3h。所得鈀基整體式燃燒催化劑簡記為Pd/FeCrAl。

1.3 催化劑活性評價

催化劑活性測試在常壓連續流動氣固反應裝置上進行，以甲苯為目標反應物，考察Pd/FeCrAl燒結氈催化劑的催化燃燒活性，具體反應裝置見文獻［12］。該活性評價體系由氣體發生裝置、催化氧化反應裝置及尾氣檢測裝置3部分組成。由從空氣鋼瓶吹進的空氣分成兩路，一路空氣經過裝有甲苯液體的鼓泡器與另一路空氣混合，然后含有甲苯的混合氣進入固定床催化反應器，在催化床層進行催化燃燒反應，并控制甲苯的初始質量濃度為4g/m3，空速為10 000h-1，總氣體流量為52mL/min。反應尾氣通過六通閥取樣引入Agilent 6820氣相色譜中進行在線分析，采用DB-1毛細管柱和FID檢測器。

1.4催化劑表征

催化劑的晶型采用UItimaⅢ型X射線衍射（XRD）儀測定，使用Cu靶Kα射線源，管電壓為40kV，管電流為40mA，掃描范圍2θ=20～80°，掃描速率為5（°）/min。采用S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察催化劑的表面形貌，并進行能譜（EDS）定量分析，確定催化劑表面元素組成及原子比例，采用10kV工作電壓，樣品經真空蒸涂Au導電層預處理。

2 結果與討論

2.1 催化劑表征

2.1.1 SEM分析

圖1為空白FeCrAl燒結氈和不同鈀負載量（質量分數，下同）的Pd/FeCrAl催化劑的SEM照片。由圖1a可見，FeCrAl燒結氈基體中纖維直徑為10～20μm，表面光滑。由圖1b～d可見，對制備的Pd/FeCrAl催化劑而言，活性組分Pd為球狀顆粒，在FeCrAl基體表面均勻分布，而且隨著催化劑鈀負載量的增加，活性組分鈀在基體表面覆蓋度逐漸變大，而且顆粒大小也有一定程度的增加。當鈀負載量為0.3％時，鈀顆粒在FeCrAl基體表面基本覆蓋完全，此時活性組分鈀以0.3～0.5μm大小的規則球形顆粒在基體表面均勻分布，僅部分地方球形顆粒間出現粘連在一起的現象。當催化劑負載量繼續升高到0.9％時，由于基體表面已覆蓋完全，鈀顆粒分布更趨致密，且部分地方出現明顯層疊堆砌現象，導致顆粒間粘連現象十分嚴重，部分地方已經燒結為片狀。

圖1 不同鈀負載量的Pd/FeCrAl燒結氈催化劑SEM照片

2.1.2 EDS分析

圖2是0.3％Pd/FeCrAl燒結氈催化劑表面隨機某區域的EDS圖。其中Fe﹑Cr﹑Al元素是FeCrAl燒結氈基體的組成部分，同時譜圖中還檢測到了明顯的Pd元素峰，說明通過化學鍍技術活性組分鈀已成功負載在基體表面。其他負載量的Pd/FeCrAl催化劑的EDS圖與之類似。

表1為不同Pd負載量的Pd/FeCrAl燒結氈催化劑EDS元素分析結果。由表1可以看出，隨著鈀負載量從0.1％增加到0.3％，催化劑中鈀元素的質量分數也基本增加了3倍；但當鈀負載量從0.3％增加到0.9％時，催化劑中鈀元素的質量分數幾乎沒有變化。由于EDS檢測到的是催化劑表面1μm深度的表面元素組成，所以結合前面SEM表征結果，可以推斷當鈀負載量低于0.3％時，由于基體表面還未被鈀組分完全覆蓋，故隨著鈀負載量的增加，催化劑中鈀元素的質量分數也隨之線性增加；但當鈀負載量高于0.3％時，由于基本表面已被鈀組分覆蓋完全，故更多的鈀顆粒只能相互層疊堆砌，甚至團聚成塊，從而導致催化劑表面裸露的鈀組分面積并沒有明顯提升，這就是鈀負載量過高時催化劑中鈀元素質量分數幾乎沒有變化的主要原因。

圖2 0.3％Pd/FeCrAl燒結氈催化劑EDS圖

表1 不同Pd負載量的Pd/FeCrAl燒結氈催化劑EDS元素分析

2.1.3 XRD分析

圖3為不同負Pd載量的Pd/FeCrAl催化劑XRD譜圖。由圖3a可見，FeCrAl燒結氈基體在44°和64°處顯示明顯的特征衍射峰。由圖3b～d可見，隨著催化劑中鈀負載量的增加，FeCrAl基體的衍射峰強度逐漸減弱，這是由于隨著Pd顆粒在基體表面的沉積覆蓋，使得裸露的基體表面明顯減少，所以FeCrAl基體的衍射峰強度明顯減弱。同時由圖3b～d還可以發現，催化劑除了基體衍射峰外，在40.1、46.7、68.1°處出現明顯的金屬Pd晶相的特征峰（見PDF#46-1043卡片），在33.8、60.7、71.3°處出現微弱的PdO晶相的特征峰（見PDF#41-1107卡片），說明在制備的Pd/FeCrAl催化劑中，鈀組分主要以金屬鈀晶相存在，只有在鈀負載量較高時才有明顯的PdO晶相出現。而且由圖3還可以看出，在鈀負載量從0.1％增加到0.3％時，金屬鈀晶相的衍射峰強度沒有明顯變化，而基體的衍射峰明顯減弱，說明金屬Pd顆粒在基體表面逐漸覆蓋完全，并以小顆粒均勻分布；當鈀負載量繼續增加到0.9％時，金屬鈀晶相的衍射峰強度明顯變強，也更為尖銳，表明金屬Pd顆粒逐漸開始變大。這些結論與前面SEM和EDS分析結果相吻合。

圖3 不同鈀負載量的Pd/FeCrAl燒結氈催化劑XRD譜圖

2.2 Pd/FeCrAl燒結氈催化劑的甲苯凈化活性

不同鈀負載量的Pd/FeCrAl燒結氈催化劑在甲苯催化燃燒凈化中的活性測定結果見圖4。由圖4可見，FeCrAl燒結氈基體在140～250℃測試溫度范圍內基本沒有活性。當鈀負載量為0.1％時，催化劑在240℃時達到甲苯轉化率為40％；繼續增加鈀負載量到0.3％時，催化劑活性提高非常明顯，從190℃起燃后，甲苯轉化率在210℃就急速升高到90％以上，并在220℃以上達到甲苯100％完全轉化。但是，繼續增加鈀負載量到0.9％時，催化劑活性沒有明顯提升，甲苯轉化率在210℃也達到90％以上，并在220℃以上達到100％轉化。結合前面催化劑表征結果可知，當鈀負載量較低為0.1％時，由于催化劑表面鈀顆粒分布較少，所以鈀組分活性位也較少，催化活性較低。隨著鈀負載量逐漸增加到0.3％時，由于鈀顆粒逐漸在基體表面形成完全覆蓋，并以0.3～0.5μm大小的規則球形顆粒在基體表面均勻分布，所以表面裸露鈀組分活性位增多，催化劑活性也得到明顯提升。但是，當鈀負載量過高增至0.9％時，由于基體表面已經被小顆粒鈀組分完全覆蓋，導致過多的鈀組分只能在原來裸露的鈀顆粒表面層疊堆砌，使得催化劑表面裸露的鈀組分活性位并沒有明顯增多，所以催化活性提升不明顯。考慮到過高的鈀負載量會導致貴金屬鈀的浪費，而且對甲苯催化凈化活性也沒有明顯的提高，所以選擇鈀負載量為0.3％最為恰當。

圖4 不同Pd負載量的Pd/FeCrAl燒結氈催化劑的甲苯催化凈化活性

2.3 催化劑穩定性測試

選取制備0.3％Pd/FeCrAl燒結氈催化劑在反應溫度為220℃進行初步穩定性測試，結果如圖5所示。從圖5可以看到，該催化劑在400min內的活性雖然有小幅度降低，但始終能使甲苯轉化率維持在95％以上，說明該類催化劑具有良好的催化穩定性。

圖5 Pd/FeCrAl燒結氈催化劑的穩定性測試

3 結論

采用化學鍍法制備了一系列無氧化鋁過渡涂層的新型Pd/FeCrAl燒結氈整體式催化劑，發現鈀活性組分能以0.3～0.5μm的規則球形顆粒在FeCrAl基體表面均勻分布。活性測試表明，制備的整體式催化劑在甲苯催化氧化反應中表現出很好的低溫凈化活性，從190℃起燃后，甲苯轉化率在210℃就急速升高到90％以上，并在220℃以上達到甲苯100％完全轉化，而且該類催化劑還表現出了良好的催化穩定性。

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Characterization of Pd/FeCrAl fiber monolithic catalysts and catalytic combustion properties of toluene thereof

Li Yongfeng1，Xiao Yue1，Wen Wu2，Gao Min2，Yu Qian1，Yu Lin1
（1.School of Chemical Engineering and Light Industry，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Petrochemical Research Institute of Guangdong Province）

The FeCrAl fiber supported palladium-based monolithic catalysts without interlayer coating were prepared by the noval electroless plating technique.The synthesized catalysts with different loaded Pd were firstly characterized by scanning electron microscope（SEM），X-ray diffraction（XRD），and energy dispersive spectrometer（EDS）.The results showed that the palladium component can be well enriched on the surface of the FeCrAl fiber substrate，and the main active center of the catalysts was metal Pd crystalline phase.When the palladium loading was 0.3％（mass fraction），the Pd spherical particles with 0.3～0.5μm could form an uniform distribution and just cover the whole surface of the FeCrAl substrate.Meanwhile，the synthesized catalysts also showed excellent performance of toluene catalytic combustion：the toluene could rapidly burn out at 220℃after light-off at 190℃over the synthesized catalyst，and the catalyst also expressed good catalytic stability.

electroless plating；Pd-based；toluene；catalytic combustion

TQ138.23

A

1006-4990（2014）12-0075-04

2014-06-17

李永峰（1976— ），男，博士，副教授，主要從事環境催化方面的研究。

廣州市珠江科技新星專項（2011J2200041）；廣東省科技計劃項目（2012A030600006）；廣東高校產學研結合示范基地及科技成果轉化重大項目（cgzhzd1104）。

聯系方式：gdliyf@163.com