張學(xué)楊 王 睿
(山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南 250100)
雜多酸因其優(yōu)良的氧化還原性及強(qiáng)酸性而被廣泛應(yīng)用于催化領(lǐng)域[1-7],然而其本身的低熱穩(wěn)定性、低比表面積以及在液相中高的溶解度制約了它在多相催化中的工業(yè)應(yīng)用。為克服上述缺陷,引入各種載體材料所制備的負(fù)載型雜多酸,在增大了比表面積的同時(shí)也提高了其熱穩(wěn)定性[8-12],然而雜多酸從載體材料上的流失仍不可避免。Sulikowski等[13]提出的將雜多酸固載于沸石超籠中形成 “瓶中船”(Ship-in-Bottle)型催化體系的構(gòu)想,解決了雜多酸的流失問題,在隨后的研究中還發(fā)現(xiàn)該類型催化劑較單純的雜多酸在多相催化反應(yīng)中具有更高的催化活性[13-16]。為提高“瓶中船”型催化劑的制備效率,人們開展了諸多研究[17-20],其中Hou等[20]引入的微波輻射技術(shù)提高催化劑制備效率的效果最為顯著,然而由于在催化劑制備過程中Na+(原料中的NaH2PO4及Na2WO3)的存在,沸石籠中的生成物除雜多酸外還有雜多酸鈉鹽,目前仍無法制備只含有單純雜多酸的“瓶中船”型催化劑。
Moffat等[21-23]的研究表明,磷鎢酸銨(NH4PW)可與NO2發(fā)生氧化還原反應(yīng)12NO2+4(NH4)3PW12O40→12N2+3O2+18H2O+4H3PW12O40,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,還原劑NH4PW逐漸轉(zhuǎn)化為磷鎢酸(HPW)。我們由此得到啟發(fā),先將沸石籠中的磷鎢酸及其鈉鹽通過復(fù)分解反應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為NH4PW,而后通過NO2與NH4PW的反應(yīng)將沸石籠中的NH4PW全部轉(zhuǎn)化為HPW,從而制備出沸石籠中只含有HPW的 “瓶中船”型催化劑。
如圖1所示,在微波輔助條件下,于NaY沸石超籠中原位合成磷鎢雜多酸及其鈉鹽,而后通過取代Na+與H+的方式制備出“瓶中船”型催化劑NH4PW-NaY,進(jìn)而通過氮氧化物(NOx)與該催化劑反應(yīng)制備出沸石超籠中只含有HPW的“瓶中船”型催化劑HPW-NaY。隨后考察了該催化劑對(duì)NOx的吸附、脫附及催化分解性能。
NH4PW-NaY“瓶中船”型催化劑的制備:參照文獻(xiàn)[20],首先將 NaY 沸石(nSi∶nAl=30∶1)于 550 ℃馬弗爐中煅燒3 h以去除沸石籠中的水。稱取1.074 g磷酸氫二鈉與11.875 g鎢酸鈉混合于50 mL燒杯,加20 mL蒸餾水后將燒杯移至70℃水浴鍋,磁力攪拌下使其溶解,稱取3.0 g煅燒后的NaY沸石,在劇烈攪拌下加至上述混合液。繼續(xù)攪拌20 min后逐滴加入濃鹽酸調(diào)節(jié)混合液pH值至1.0,并將燒杯移入MCL-2型微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀(四川大學(xué)無線電系)中,于700 W功率下照射7 min。過濾燒杯中混合液,并用80℃蒸餾水洗滌濾出物10次,以除去殘留于NaY沸石外的雜多化合物,將濾出物置于干燥箱中,105℃干燥過夜,200℃下煅燒3 h,得到NaY沸石超籠中含有磷鎢酸及其鈉鹽的“瓶中船”型樣品(標(biāo)注為H/NaPW-NaY),研磨備用。稱取1.441 g氯化銨于50 mL燒杯,加20 mL蒸餾水使其溶解,將上述制備的H/NaPW-NaY在劇烈攪拌下加入氯化銨水溶液,將燒杯移入KQ-50型超聲反應(yīng)器(昆山市超聲儀器有限公司),在60℃下超聲處理20 min。處理完畢后過濾混合液,將濾出物用80℃蒸餾水洗滌3次除去氯化鈉及過量氯化銨,置于干燥箱中,105℃干燥過夜,即得NaY沸石超籠中只含有NH4PW的“瓶中船”型催化劑(標(biāo)注為NH4PW-NaY),備用。
NH4PW 的制備:按化學(xué)計(jì)量比(nNH4Cl∶nHPW=3∶1)稱取NH4Cl與HPW分別配成溶液,在劇烈攪拌下,將NH4Cl逐滴加入HPW水溶液,產(chǎn)生白色沉淀,過濾,干燥,得NH4PW,備用。
NOx吸附脫附實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。
吸附過程:采用質(zhì)量流量計(jì)精確控制NO、O2和N2流量,調(diào)節(jié)混合氣中NO濃度為1339 mg·m-3,O2為8vol%,蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生4.5vol%水蒸汽,N2為平衡氣,三路氣體于緩沖瓶中混合均勻,吸附試驗(yàn)在內(nèi)徑為8 mm的石英管反應(yīng)器中進(jìn)行,取1.0 g催化劑置于反應(yīng)器中間,兩端以石英棉固定,吸附溫度為170℃,吸附過程中NOx濃度由TH-9905型NO/NO2分析儀(武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司)測定。
脫附過程:吸附NOx完畢后關(guān)閉氣路,采用降溫通水蒸汽方式脫附NOx,對(duì)飽和吸附NOx的催化劑,關(guān)閉電阻爐使其自170℃降至室溫,降溫伊始調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器,向氣路中通10vol%水蒸汽以脫除催化劑上所吸附的NOx,脫附過程中NOx濃度由NO/NO2分析儀測定。
分解過程:采用LZL-204型質(zhì)譜儀(北京分析儀器廠)進(jìn)行程序升溫脫附-質(zhì)譜(TPD-MS)測試,用于NOx催化分解及分解產(chǎn)物的檢測。吸附NOx后的樣品約300 mg置于程序升溫裝置的石英管反應(yīng)器中,以20 mL·min-1的高純氦氣吹掃氣路1 h后,以預(yù)定的升溫速率自30℃程序升溫至500℃,分解過程中以He為載氣,分解產(chǎn)物通過質(zhì)譜檢測,根據(jù)質(zhì)核比(m/z)進(jìn)行離子流選擇,m/z=28為N2,30為NO,32 為 O2,44 為 N2O,46 為 NO2。在質(zhì)譜分析中離子碎片的影響不可忽略,在質(zhì)譜檢測的結(jié)果分析中對(duì)離子碎片的影響進(jìn)行修正。
傅立葉變換紅外光譜 (FTIR)使用美國Nicolet Instrument公司產(chǎn)Nicolet 5DXC紅外光譜儀進(jìn)行分析。樣品使用KBr壓片,掃描范圍為4 000~400 cm-1,分辨率為 2 cm-1。
X射線粉末衍射(XRD)分析采用德國Bruker公司的Bruker D8 Advanced型粉末衍射儀進(jìn)行。射線源采用波長為0.154 05 nm的Cu Kα線,石墨單色器,管壓40 kV,管電流60 mA,Ni濾波片,掃描范圍 10°~45°,掃描速率 0.02°·s-1。
吡啶吸附紅外(Py-IR)分析,將樣品置于紅外池,在壓力為0.1 Pa,溫度為200℃條件下脫氣4 h后,進(jìn)行吡啶吸附,吸附后采用美國Nicolet Instrument公司生產(chǎn)的Nikolet 560紅外光譜儀進(jìn)行分析。
催化劑的比表面積及孔容采用北京貝士德儀器科技有限公司的3H-2000PS2型靜態(tài)容量法比表面及孔徑分析儀測定。樣品于150℃真空狀態(tài)下加熱除氣2 h后,在液氮溫度-196℃下獲得樣品的N2吸附-脫附等溫線。
所制備的 NH4PW、NH4PW-NaY及 NaY的紅外光譜如圖3所示。樣品NH4PW的紅外光譜中有Keggin結(jié)構(gòu)雜多陰離子的4個(gè)特征峰[6],即位于1 078 cm-1的P-O振動(dòng)峰,位于892 cm-1的W-Ob-W振動(dòng)峰,位于810 cm-1的W-Oc-W振動(dòng)峰,以及位于989 cm-1的W=O振動(dòng)峰。微波法所制備的樣品NH4PW-NaY,位于989 cm-1的W=O振動(dòng)峰被NaY沸石中強(qiáng)烈的Si-O鍵的振動(dòng)峰所遮蔽,而其他3個(gè)Keggin結(jié)構(gòu)特征峰P-O、W-Ob-W及W-Oc-W分別在1 074、894及812 cm-1處出現(xiàn),以上Keggin結(jié)構(gòu)特征峰以及在1 407 cm-1處出現(xiàn)的NH4+振動(dòng)峰均表明NH4PW在NaY沸石超籠內(nèi)被原位合成。
NH4PW、NaY及NH4PW-NaY的X射線衍射圖如圖4所示。采用微波輻射法制備的催化劑保留了NaY沸石籠的結(jié)構(gòu),且NH4PW-NaY樣品中無明顯NH4PW的XRD晶形,由此說明沸石超籠外無NH4PW存在,結(jié)合FTIR結(jié)果可知,所合成的NH4PW位于沸石超籠內(nèi),這一結(jié)果與Hou[20]以USY沸石所制備的“瓶中船”的表征結(jié)果吻合。
N2在NaY及NH4PW-NaY上的吸附-脫附等溫線如圖5所示,該兩種樣品均表現(xiàn)出典型的Ⅰ型等溫線,表明兩者均為微孔材料。NaY及NH4PW-NaY的形貌結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示,NaY沸石的比表面積為693 m2·g-1,其沸石超籠中原位合成NH4PW后催化劑NH4PW-NaY的比表面積則降為591 m2·g-1,原位合成NH4PW后NaY沸石籠的孔體積則由1.2 mL·g-1下降至 0.1 mL·g-1,這主要是由于 NH4PW 原位生成于NaY沸石籠后,填充了沸石籠的空間,因而造成了比表面積及孔容積的下降。對(duì)NaY及NH4PW-NaY的形貌分析進(jìn)一步證實(shí)了NH4PW被成功合生成于NaY沸石超籠中形成“瓶中船”型催化劑。
表1 NaY及NH4PW-NaY比表面積及孔容Table 1 Specific surface area and pore volume of NaY and NH 4PW-NaY
Moffat等[22]在研究NH4PW去除NO2的過程中發(fā)現(xiàn),NH4PW可以與NO2反應(yīng)生成HPW。為將NaY沸石籠中的NH4PW全部轉(zhuǎn)化為HPW得到HPWNaY催化劑,以NOx為氧化劑與NH4PW-NaY進(jìn)行充分反應(yīng)。圖6顯示了NH4PW-NaY、NH4PW及NaY對(duì)NOx的去除效率,以上3種樣品對(duì)NOx的去除研究均為在170℃下進(jìn)行,且NOx的初始濃度均為1 696 mg·m-3。結(jié)果表明,NaY 沸石對(duì) NOx的去除率低于 8%,NH4PW 對(duì) NOx的去除率可達(dá) 50%,而NH4PW-NaY對(duì)NOx的去除效率最高為60%。NH4PW-NaY之所以較NaY及NH4PW有著更高的NOx去除效率,主要是由于NH4PW在NaY上高度均勻分散,從而提高了NH4PW的比表面積,進(jìn)而增大了NH4PW與NOx的接觸幾率所致。由于NH4PW在NaY沸石中含量較少,因此反應(yīng)至80 min時(shí)隨著NaY沸石中NH4PW的不斷消耗,NH4PW-NaY對(duì)NOx的去除率逐漸降低,反應(yīng)至100 min時(shí)NH4PWNaY對(duì)NOx的去除率已低于單純的NH4PW。
當(dāng)NaY沸石籠中NH4PW與NOx反應(yīng)完全后,NH4PW-NaY轉(zhuǎn)化為HPW-NaY,對(duì)反應(yīng)前后的NH4PW-NaY進(jìn)行FTIR表征以證實(shí)HPW-NaY的形成,結(jié)果如圖7所示。NH4PW-NaY與NOx反應(yīng)后,磷鎢雜多陰離子的Keggin特征峰未發(fā)生改變,而在1 407 cm-1位置的吸收峰消失,且在1 384 cm-1處出現(xiàn)新的吸收峰。吸收峰的消失表明原催化劑中的NH4+與NOx反應(yīng)完全,即NH4PW均已轉(zhuǎn)變?yōu)镠PW。而1 384 cm-1位置的吸收峰被指認(rèn)為吸附于HPW上的NOx在進(jìn)行紅外壓片時(shí)與KBr產(chǎn)生的結(jié)合鍵[24-25],該吸附峰的出現(xiàn)表明了NOx在HPW上有大量的吸附,由此進(jìn)一步表明了HPW的形成。NH4PW-NaY與NOx反應(yīng)前后的FTIR結(jié)果表明NH4PW-NaY已轉(zhuǎn)化為HPW-NaY,且有大量的NOx吸附于新生成的HPW-NaY。
為進(jìn)一步驗(yàn)證“瓶中船”型催化劑HPW-NaY的形成,對(duì)NH4PW-NaY及HPW-NaY進(jìn)行吡啶吸附紅外研究,結(jié)果如圖8所示。在1 600 cm-1與1 450 cm-1附近的紅外吸附峰被指認(rèn)為Lewis型吡啶吸附峰,1 540 cm-1處的紅外峰被指認(rèn)為Br?nsted型吡啶吸附峰,而在1 490 cm-1處的吸附峰則為Lewis型與 Br?nsted 型吡啶吸附峰之和[20]。Br?nsted酸與Lewis酸相對(duì)強(qiáng)度可以通過處于1 540與1 450 cm-1位置的紅外峰進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為[26]:酸型吡啶紅外吸附比;εL/εB是 Br?nsted 型與 Lewis型吡啶紅外吸附消光系數(shù)比,Stencel等[27]研究表明,對(duì)于nSi/nAl比高于15的沸石,該值可取為1.5。對(duì)NH4PW-NaY及HPW-NaY的吡啶吸附紅外結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果示于表2。催化劑NH4PW-NaY中Br?nsted 酸與 Lewis酸強(qiáng)度比 AB/AL為 0.336,與NOx反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為HPW-NaY后,該比值升高為0.440,這表明反應(yīng)后Br?nsted酸位顯著增加,而該酸位的增加是由于NH4+轉(zhuǎn)化為而H+所致。因此,吡啶吸附紅外的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了NH4PW-NaY與NOx反應(yīng)產(chǎn)物為HPW-NaY,沸石超籠中只含有HPW的“瓶中船”型催化劑HPW-NaY被成功制備。
表2 NH 4PW-NaY與HPW-NaY的酸強(qiáng)度比較Table 2 Acidity comparison between NH 4PW-NaY and HPW-NaY
HPW具有在較低溫度下吸附NOx的能力[12,24,28-32],且眾多研究表明[25,33-34],在HPW吸附NOx過程中,NOx與極性分子H2O競爭吸附于HPW上,在50°C以下時(shí)H2O較NOx具有吸附優(yōu)勢,易于吸附于HPW的二結(jié)結(jié)構(gòu)中形成帶有6個(gè)結(jié)晶水的磷鎢酸H3PW12O40·6H2O,而150℃時(shí)NOx則表現(xiàn)出較H2O更強(qiáng)的吸附優(yōu)勢,每一個(gè)NOx取代HPW中2個(gè)結(jié)晶水形成H3PW12O40·3NOx。由此可見,吸附有NOx的雜多酸,除了可以通過提高溫度使NOx發(fā)生熱脫附外,還可以在降低溫度的條件下借助通入的水蒸汽使NOx被H2O反取代的方式進(jìn)行脫附,該方法可以避免傳統(tǒng)升溫?zé)崦摳街袦囟冗^高對(duì)HPW結(jié)構(gòu)帶來的破壞。
圖9示出了NOx在HPW-NaY上的吸附及降溫通水蒸汽方式進(jìn)行的脫附效果。在170℃條件下,HPW-NaY對(duì) 1 696 mg·m-3的 NOx進(jìn)行了吸附,通過對(duì)該吸附曲線進(jìn)行積分得到HPW-NaY對(duì)NOx的吸附容量為 2.38 mgNOx·gcat-1。飽和吸附NOx后對(duì)HPW-NaY進(jìn)行降溫,通入水蒸汽脫附NOx,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度下降至100℃時(shí),吸附于HPW-NaY的NOx發(fā)生了脫附,對(duì)脫附曲線進(jìn)行積分計(jì)算,發(fā)現(xiàn)降溫通水蒸氣脫附法可使83%的NOx在40 min內(nèi)被脫附。低溫通水蒸汽的脫附方式可避免雜多酸在高溫下發(fā)生分解,此外水蒸汽及時(shí)補(bǔ)充了NOx脫除后在催化劑上所形成的空位,因此在NOx脫附后HPW-NaY的結(jié)構(gòu)未受到破壞并迅速恢復(fù)至吸附NOx前的初始狀態(tài),該催化劑無需再生即可進(jìn)行重復(fù)使用。對(duì)該催化劑進(jìn)行重復(fù)使用,再次吸附NOx后進(jìn)行隨后的TPD-MS實(shí)驗(yàn)。
將降溫通水蒸汽脫附NOx后的催化劑HPWNaY再次飽和吸附NOx,而后采用TPD-MS進(jìn)行HPW-NaY對(duì)NOx的催化分解研究,結(jié)果如圖10a所示,為進(jìn)行比較,HPW對(duì)NOx催化分解的TPDMS結(jié)果列于圖10b。
以HPW-NaY及HPW為催化劑催化分解NOx過程中,分解產(chǎn)物為NO、N2O、N2及O2,且均未檢測到NO2,這一結(jié)果與McCormick等[35]以HPW為催化劑進(jìn)行NOx催化分解的結(jié)果相似。在NOx催化分解過程中,O2的脫附是最為關(guān)鍵的一步,在此前的關(guān)于雜多酸催化劑催化分解NOx報(bào)道中,由于分解在有O2的存在下進(jìn)行[24,35],因此未討論分解過程中氧的產(chǎn)生及脫附,本文作者[36]曾采用TPD-MS研究HPW及負(fù)載于多壁碳納米管的HPW催化分解NOx中首次發(fā)現(xiàn)了O2的產(chǎn)生,證實(shí)了分解所產(chǎn)生的氧原子可以由雜多酸催化劑上脫附。載體材料在NOx催化分解中直接影響到氧原子的脫附,從而影響NOx的催化效率,該實(shí)驗(yàn)首次探討了以NaY沸石為載體的催化劑HPW-NaY催化分解NOx中氧的產(chǎn)生及脫附。
如圖10所示,與N2O、N2及O2相比,NO在最低的分解溫度下開始出現(xiàn),這是由于催化劑吸附NOx過程中,部分NOx以物理吸附形式吸附于催化劑中,物理吸附的NOx與催化劑的結(jié)合能較弱,因此在較低的熱作用下,NOx即發(fā)生脫附及分解。根據(jù)文獻(xiàn)[37]的研究,NOx分解中產(chǎn)物N2O是由NO的歧化反應(yīng)而來。分解產(chǎn)物中的N2則主要來自于NO,由于HPW的催化作用使N-O鍵發(fā)生了斷裂,產(chǎn)生活性氮原子和氧原子,其中,活性氮原子相互碰撞形成N2分子而被釋放。然而產(chǎn)生的氧原子則較為活潑,易于與雜多酸催化劑中外層金屬原子W相接合形成臭氧型加合物[38]。由于端氧Od位較其他位置氧有更高的反應(yīng)活性[6],因此端氧位為最可能的接合氧原子位。該過氧雜多化合物為反應(yīng)中間產(chǎn)物,其氧原子易于脫出并相互結(jié)合為O2進(jìn)而釋放,由于氧原子在相互結(jié)合為O2并釋放出之前經(jīng)歷了加合與脫離這一復(fù)雜過程,因而其產(chǎn)生要晚于N2。
催化劑HPW及HPW-NaY催化分解NOx的轉(zhuǎn)化率、N2及N2O的選擇性如表3所示。HPW-NaY催化分解NOx的轉(zhuǎn)化率為61%,其中N2選擇性為75%,而N2O選擇性僅為25%。催化劑HPW對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化率為54%,N2及N2O的選擇性分別為53%與47%,由此可見,催化劑HPW-NaY在NOx催化分解中性能優(yōu)于單純的HPW催化劑。由于HPW限域于NaY沸石籠中,因此HPW催化劑所吸附的NOx分子同樣處于沸石籠中,在快速升溫分解過程中,部分NOx會(huì)由HPW催化劑中脫附,由于NOx分子受沸石籠的約束,所脫附的NOx仍處于HPW催化劑表面,因此催化劑對(duì)NOx仍有催化分解作用。而單純的HPW催化劑上升溫所脫附的NOx很快脫離HPW固體表面而未被催化分解,僅有升溫過程中殘留于HPW上的少量NOx及脫附后未及時(shí)脫離HPW表面的NOx參與了催化分解,由此可見,“瓶中船”型催化劑HPW-NaY對(duì)NOx的催化活性高于HPW。
表3 NO x(x=1,2)在催化劑HPW及HPW-NaY上轉(zhuǎn)化率及N2、N2O選擇性Table 3 Conversion of NO x and selectivities to N2 and N2O with HPW and HPW-NaY
(1)FTIR、XRD、比表面積及孔體積測試結(jié)果表明,微波輻射條件下可將12-磷鎢雜多化合物原位合成于NaY沸石超籠中,制備出 “瓶中船”型NH4PW-NaY。
(2)NH4PW-NaY與NOx反應(yīng)制備HPW-NaY的過程中,由于NH4PW-NaY的有效還原成分NH4PW高度分散于NaY沸石超籠中,因此其在反應(yīng)溫度為170℃時(shí),對(duì)1 696 mg·m-3的NOx具有高達(dá)60%的去除效率,高于同條件下單純的NaY與NH4PW對(duì)NOx的去除率之和。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,經(jīng)FTIR及紅外吸附吡啶測試表明NaY沸石籠中的NH4PW轉(zhuǎn)化為HPW,由此沸石籠中只含有HPW的“瓶中船”型催化劑HPW-NaY被首次成功制備。
(3)HPW-NaY對(duì)NOx的吸附-脫附實(shí)驗(yàn)表明,在170℃HPW-NaY對(duì)NOx的吸附容量為2.4 mgNOx·g-1,對(duì)飽和吸附NOx的HPW-NaY采用降溫通水蒸汽的方式可使83%的NOx在40 min內(nèi)脫附,脫附的起始溫度為100℃,且脫附后的催化劑可重復(fù)使用。
(4)對(duì)吸附NOx的HPW-NaY進(jìn)行TPD-MS測試,研究其對(duì)NOx的催化分解性能,試驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)NOx在以NaY沸石為載體的HPW上的分解過程中有O2產(chǎn)生,且滯后于N2O及N2,HPW-NaY催化分解NOx的轉(zhuǎn)化率及N2選擇性分別為61%與75%,均高于單純HPW催化劑。
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