載鉑多級(jí)孔ZSM-5分子篩用于鄰二甲苯的“吸附-催化燃燒”循環(huán)脫除

陳孟秋, 王鈺, 楊登堯, 鄔紅娟, 郭利民

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載鉑多級(jí)孔ZSM-5分子篩用于鄰二甲苯的“吸附-催化燃燒”循環(huán)脫除

陳孟秋, 王鈺, 楊登堯, 鄔紅娟, 郭利民

(華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 武漢 430074)

首先利用F127作為軟模板, 采用蒸汽輔助晶化法合成出具有一定介孔結(jié)構(gòu)的多級(jí)孔ZSM-5分子篩, 然后采用等體積浸漬法負(fù)載鉑, 成功制備了載鉑的多級(jí)孔ZSM-5分子篩催化劑。利用X射線衍射(XRD)、氮?dú)馕降葴鼐€(N2isotherm)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)制備的催化劑進(jìn)行了表征, 并將催化劑用于鄰二甲苯的吸附和催化燃燒反應(yīng), 最后考察了催化劑“吸附-催化燃燒”循環(huán)脫除鄰二甲苯的性能。結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)ZSM-5分子篩相比, 多級(jí)孔ZSM-5分子篩結(jié)晶度略有下降, 但是介孔度和孔體積明顯提升。介孔結(jié)構(gòu)與微孔結(jié)構(gòu)并存, 極大提升了多級(jí)孔ZSM-5分子篩對(duì)鄰二甲苯的吸附能力, 其飽和吸附量達(dá)到了傳統(tǒng)ZSM-5分子篩的約8倍。此外, 介孔結(jié)構(gòu)的存在提高了鉑的分散度, 使得載鉑多級(jí)孔ZSM-5分子篩具有最佳的催化燃燒鄰二甲苯性能, 三次“吸附-催化燃燒”循環(huán)使用后的吸附容量依然基本保持不變, 并且在催化燃燒過(guò)程中無(wú)二次污染物生成, 具有較高的吸附容量和循環(huán)使用穩(wěn)定性。

負(fù)載鉑催化劑; 多級(jí)孔分子篩; 揮發(fā)性有機(jī)物; 吸附; 催化燃燒

揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)主要來(lái)源于石化行業(yè)的廢氣排放, 產(chǎn)品儲(chǔ)罐氣、家具行業(yè)生產(chǎn)及萃取廢氣、包裝印刷業(yè)的工藝過(guò)程廢氣等[1]。這些易揮發(fā)性有機(jī)廢氣對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生了巨大危害[2], 急需治理。

在眾多治理方法中, “沸石濃縮–蓄熱燃燒”技術(shù)是一種安全有效的方法[3]。該方法首先將包含VOCs的有機(jī)廢氣通過(guò)沸石濃縮轉(zhuǎn)輪, 將VOCs富集在沸石中, 待吸附飽和后, 再將富集的VOCs通過(guò)熱脫附的方式脫除, 并引入到蓄熱燃燒爐中進(jìn)行高溫焚燒或催化燃燒, 最后排出達(dá)標(biāo)的尾氣, 完成VOCs的凈化。該技術(shù)處理效率高, 無(wú)二次污染, 是一種極具潛力的VOCs治理技術(shù)。但是該技術(shù)存在操作較為繁瑣的問(wèn)題, 且VOCs脫附和焚燒過(guò)程能耗較高, 不利于實(shí)際推廣和應(yīng)用。

目前, 研究者們開(kāi)發(fā)出一種新型的“存儲(chǔ)–氧化”循環(huán)技術(shù)[4], 即通過(guò)一種同時(shí)具有吸附和催化氧化功能的催化新材料, 在室溫下首先將 VOCs存儲(chǔ)在催化劑上, 存儲(chǔ)飽和后再對(duì)催化劑進(jìn)行原位處理, 使存儲(chǔ)的VOCs完全氧化, 且無(wú)二次污染, 并且催化劑得以原位再生。原位處理可以采用多種方式, 包括升溫、等離子放電或臭氧氧化等。該技術(shù)有利于解決VOCs與空氣中其他組分的競(jìng)爭(zhēng)吸附問(wèn)題, 也可以解決吸附材料的原位再生問(wèn)題, 并且能夠大幅降低能耗, 對(duì)空氣中其他污染物的治理具有重要借鑒意義。

在眾多材料中, 具有規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu), 孔徑在0.5 nm左右的ZSM-5分子篩通常作為吸附材料及催化劑載體[5-8], 但是對(duì)于分子較大的VOCs (如二甲苯或三甲苯, 動(dòng)力學(xué)直徑分別為0.68和0.86 nm), 傳統(tǒng)ZSM-5較小的微孔孔道則不利于VOCs分子的吸附, 因此集合介孔與微孔優(yōu)點(diǎn)的多級(jí)微/介孔ZSM-5分子篩應(yīng)運(yùn)而生[9]。利用微孔沸石晶體穩(wěn)定性和酸性方面的優(yōu)勢(shì), 并集合介孔結(jié)構(gòu)對(duì)于較大分子的吸附能力, 實(shí)現(xiàn)對(duì)全尺寸VOCs分子的吸附[10]。此外, 通過(guò)負(fù)載鉑賦予分子篩催化燃燒性能, 使得該材料成為既可以在室溫吸附VOCs分子, 又能原位催化燃燒VOCs并再生的催化新材料。

綜上, 鄰二甲苯是典型的VOCs, 本研究以其為研究對(duì)象, 考察了載鉑多級(jí)孔ZSM-5分子篩對(duì)鄰二甲苯的吸附和催化燃燒性能及其“吸附–催化燃燒”循環(huán)性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試劑

F127購(gòu)自Sigma試劑公司; 正硅酸乙酯、四丙基氫氧化銨、異丙醇鋁、氫氧化鈉等均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。所有試劑均為分析純, 實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。傳統(tǒng)ZSM-5分子篩購(gòu)買自南開(kāi)大學(xué)分子篩廠。介孔三氧化二鋁的制備參照文獻(xiàn)[11]。

1.2 制備方法

載鉑多級(jí)孔ZSM-5分子篩的制備過(guò)程如下: 先將3.2 g F127加入36 g去離子水中, 并持續(xù)攪拌至溶液澄清, 然后將0.25 g異丙醇鋁和10.4 g正硅酸乙酯(TEOS)先后加入上述溶液中劇烈攪拌數(shù)小時(shí)后, 逐滴加入4.1 g四丙基氫氧化銨溶液(TPAOH), 繼續(xù)攪拌至固化形成凝膠。整個(gè)攪拌過(guò)程在40 ℃下進(jìn)行。所得凝膠先在60 ℃下干燥約8 h, 然后在 80 ℃下干燥12 h至固定干凝膠的重量不改變。再將上述干燥后的干凝膠在160 ℃用蒸汽輔助法晶化處理18 h。產(chǎn)物經(jīng)過(guò)洗滌和過(guò)濾后, 100 ℃下過(guò)夜干燥。最后在600 ℃煅燒10 h去除有機(jī)模板, 獲得多級(jí)孔ZSM-5分子篩。

隨后稱取一定量的多級(jí)孔分子篩、傳統(tǒng)分子篩及介孔三氧化二鋁載體, 將氯鉑酸水溶液等體積浸漬在載體中, 其中鉑的理論負(fù)載量均為1wt%, 在室溫下浸漬 12 h后, 在烘箱中 120 ℃干燥過(guò)夜, 將制得的樣品在空氣中以10 ℃/min的速度升溫至500 ℃并保溫4 h, 自然冷卻后, 壓片、粉碎、過(guò)篩備用。催化劑分別命名為Pt/mZSM-5、Pt/ZSM-5及Pt/mAl2O3。

1.3 活性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)所用氣體為高純N2和O2(純度> 99.999%)。鄰二甲苯氣體通過(guò)氮?dú)鈹y帶鄰二甲苯溶液產(chǎn)生。反應(yīng)器入口氣體的鄰二甲苯濃度測(cè)定如下: 先將入口氣體通過(guò)一個(gè)裝有CuMn/Al2O3催化劑[12]的轉(zhuǎn)化爐(400 ℃), 其中鄰二甲苯完全轉(zhuǎn)化為CO2, 再經(jīng)紅外氣體分析儀(S710, Sick-Maihak, 德國(guó))在線檢測(cè)CO2濃度得出。實(shí)驗(yàn)所需的各路氣體流量均由質(zhì)量流量計(jì)調(diào)節(jié)和控制。吸附和催化燃燒反應(yīng)時(shí)反應(yīng)氣氛為: 250′10–6鄰二甲苯/21% O2/N2, 氣體流量為50 mL/min。在循環(huán)測(cè)試中, 含有鄰二甲苯的混合氣體首先在室溫通過(guò)催化劑, 此時(shí)鄰二甲苯首先吸附在催化劑上, 經(jīng)一段時(shí)間后檢測(cè)出口鄰二甲苯濃度為入口濃度的10%時(shí), 在模擬空氣條件下(21% O2/N2, 流量為100 mL/min)以10 ℃/min的升溫速率將催化劑升溫到300 ℃, 經(jīng)過(guò)很短時(shí)間催化劑即得到再生。反應(yīng)器出口氣體中CO、CO2濃度通過(guò)紅外氣體分析儀在線檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD與孔結(jié)構(gòu)分析

圖1為Pt/mZSM-5、Pt/ZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑的XRD圖譜, 從圖中可以看出, 在入射角2= 5°~35°之間出現(xiàn)了ZSM-5分子篩的特征衍射峰(PDF#44-0003)[13], 兩種ZSM-5分子篩在此處的衍射峰基本相同, 但是多級(jí)孔分子篩的峰強(qiáng)度較弱, 峰有所展寬, 這是在納米材料合成中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象, 一般說(shuō)明材料的晶粒尺寸明顯減小, 結(jié)晶度相應(yīng)下降, 其長(zhǎng)程有序性受到一定影響。在Pt/mAl2O3上可以觀察到Al2O3的特征衍射峰, 表明合成的介孔Al2O3結(jié)晶度良好。而在Pt/ZSM-5、Pt/mZSM-5和Pt/mAl2O3的譜圖中, 可以觀察到入射角2= 39.5°歸屬于Pt(111)晶面的特征衍射峰(PDF#88- 2343), 表明在三種負(fù)載Pt載體上均形成了金屬態(tài)Pt納米顆粒, 但是Pt的峰強(qiáng)度有所差異, 這可能與不同價(jià)態(tài)的Pt有關(guān)。

圖1 Pt/mZSM-5、Pt/ZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑的XRD圖譜

圖2 Pt/mZSM-5, Pt/ZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑的氮?dú)馕降葴鼐€(插圖為孔徑分布曲線)

圖2為制備的三種催化劑的氮?dú)馕矫摳降葴厍€。根據(jù)IUPAC分類標(biāo)準(zhǔn), Pt/mZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑具有典型的IV型等溫線和H1型滯后環(huán), 并在較高的相對(duì)壓力下(/0= 0.80~0.95)產(chǎn)生毛細(xì)凝聚, 表明樣品具有較大的介孔孔徑[14], 這可從圖2的插圖以及表1的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)中得到證實(shí), 其平均孔徑分別達(dá)到19.7和8.5 nm。而與之形成對(duì)比的是, 載鉑的傳統(tǒng)分子篩催化劑Pt/ZSM-5在相對(duì)壓力/0> 0.1時(shí), 氮?dú)獾奈皆黾恿繋缀蹩梢院雎? 表明其結(jié)構(gòu)中缺失介孔及更大孔。但是傳統(tǒng)分子篩與多級(jí)孔分子篩均在/0< 0.1下具有尖銳的突跳, 表明它們有相似的微孔性質(zhì), 而這是介孔Al2O3材料所不具備的。為了進(jìn)一步分析上述三種催化劑的差異, 將其結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1, 可以看出多級(jí)孔的Pt/mZSM-5與傳統(tǒng)Pt/ZSM-5催化劑具有相似的比表面積(BET)和微孔孔容(micro), 但是前者的總孔容量(pore)和外比表面積(external)卻遠(yuǎn)大于后者, 進(jìn)一步證明多級(jí)孔Pt/mZSM-5催化劑中存在介孔結(jié)構(gòu)。

表1 催化劑的比表面積及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

a-e: Calculated by BET, t-Plot and BJH methods, respectively; f: Average pore size

圖3 Pt/mZSM-5 (A, B), Pt/ZSM-5 (C)和Pt/mAl2O3 (D)催化劑的SEM照片

2.2 電鏡表征分析

圖3給出了Pt/mZSM-5(A, B)、Pt/ZSM-5(C)和Pt/mAl2O3(D)催化劑的SEM照片。從圖3(A)中可以看出, 多級(jí)孔的Pt/mZSM-5催化劑具有球狀或近球狀的微觀結(jié)構(gòu), 微球的直徑約為1 μm, 并且表面較為粗糙。更高倍數(shù)的SEM照片(圖3(B))表明介孔ZSM-5分子篩表面實(shí)則具有類似于海綿的泡沫狀介孔結(jié)構(gòu), 這與用有機(jī)硅作為造孔劑所得產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)較為相似, 也間接表明Pt/mZSM-5催化劑結(jié)構(gòu)中介孔孔道的形成并不是通過(guò)所用嵌段共聚物(F127)自組裝形成的, 而是以嵌段共聚物作為一種支撐模板, 抵抗在分子篩結(jié)晶過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)力, 并保持所占據(jù)的介觀空間, 煅燒后其留下的空間即形成海綿狀的介孔結(jié)構(gòu)[15]。從圖3(C)可以看出, 傳統(tǒng)ZSM-5分子篩載體的晶粒非常規(guī)整, 近似橢圓片狀, 晶粒尺寸在1~2 μm。而介孔Al2O3(圖3(D))的形貌不規(guī)則, 晶粒尺寸約為0.2~2.0 μm。

圖4所示的透射電鏡照片(TEM)進(jìn)一步證實(shí)了多級(jí)孔Pt/mZSM-5樣品中存在海綿狀介孔結(jié)構(gòu), 從圖4(A)中可以看出, 所制備的多級(jí)孔ZSM-5分子篩貫穿有介孔結(jié)構(gòu), 在微觀上說(shuō)明介孔/微孔多級(jí)結(jié)構(gòu)的存在, 而具有該結(jié)構(gòu)的球狀顆粒遍布整個(gè)樣品, 為該樣品的代表性特征, 所以可以稱該樣品為多級(jí)孔ZSM-5分子篩。與之相反, 傳統(tǒng)ZSM-5分子篩則為塊狀結(jié)構(gòu)(圖4(B)), 觀察不到介孔結(jié)構(gòu)。而介孔Al2O3樣品中(圖4(C))Al2O3主要為納米棒狀結(jié)構(gòu), 棒長(zhǎng)度約為50 nm, 大量的納米棒結(jié)構(gòu)堆積而成介孔結(jié)構(gòu), 這與多級(jí)孔ZSM-5分子篩形成的介孔結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的區(qū)別。

此外, 從圖4可見(jiàn), 雖然三種樣品的鉑負(fù)載量均為1wt%, 但是三種樣品上鉑的分散度差別較大, 形成的金屬顆粒大小也不盡相同。其中, Pt/mZSM-5上鉑的平均粒徑約為3 nm, Pt/ZSM-5上鉑的聚集較為明顯, 平均粒徑增長(zhǎng)到約8 nm, 而Pt/mAl2O3上鉑的平均粒徑約為7 nm, 這可能是由于三種載體的外比表面積差距較大。由于ZSM-5分子篩的孔道約為0.5 nm, 鉑金屬粒子難以進(jìn)入孔道, 絕大部分負(fù)載在載體的外表面上, 因此外比表面積較大的多級(jí)孔Pt/mZSM-5催化劑上鉑的分散最佳, 形成的粒徑最小, 而傳統(tǒng)分子篩外比表面積小, 鉑的分布集中, 在焙燒后嚴(yán)重聚集, 形成的顆粒尺寸較大。而貴金屬粒子的催化活性存在尺寸效應(yīng)[16], 通常尺寸較小的粒子催化活性好, 因而多級(jí)孔ZSM-5分子篩在負(fù)載貴金屬時(shí)優(yōu)勢(shì)最為明顯, 在催化反應(yīng)中具有良好的應(yīng)用前景。

XRD結(jié)果表明Pt在不同載體上均形成了零價(jià)鉑納米顆粒, 但是含量可能有區(qū)別, 為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論, 同時(shí)考察Pt物種的價(jià)態(tài)與催化氧化能力的關(guān)系, 圖5比較了三種催化劑的Pt 4f XPS譜圖, 從中可以看出, 三種催化劑的Pt 4f7/2出峰位置在71.8和73.0 eV附近, 分別歸屬于金屬態(tài)Pt0和氧化態(tài)Pt2+的特征峰[17], 此外, 在75.6 eV附近還觀察到歸屬于Al 2p的特征峰[4,10]。研究計(jì)算不同價(jià)態(tài)Pt的比例, 得出Pt/ZSM-5、Pt/mZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑上Pt0/Pt0+Pt2+比例分別為28%、65%和100%, 表明Pt/ZSM-5催化劑中氧化鉑或氫氧化鉑的含量較高。相反地, Pt/mAl2O3催化劑的Pt只能觀察到歸屬于金屬態(tài)Pt0的特征峰。上述結(jié)果表明, 載體的孔道結(jié)構(gòu)和表面組分對(duì)Pt的價(jià)態(tài)有一定影響, 在沸石中引入介孔結(jié)構(gòu)后, Pt2+的比例降低, 表明介孔結(jié)構(gòu)在某種程度上與Pt發(fā)生了相互作用[18], 促進(jìn)了Pt的還原, 使Pt/mZSM-5催化劑上金屬態(tài)Pt0的含量顯著增加。

圖4 Pt/mZSM-5 (A)、Pt/ZSM-5 (B)和Pt/mAl2O3 (C)催化劑的TEM照片

圖5 Pt/mZSM-5、Pt/ZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑的Pt 4f XPS譜圖

圖6 (A) Pt/mZSM-5、Pt/ZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑的鄰二甲苯存儲(chǔ)能力; (B) Pt/mZSM-5、Pt/ZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑的鄰二甲苯催化燃燒性能

2.3 催化性能分析

圖6(A)給出了Pt/mZSM-5、Pt/ZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑上鄰二甲苯存儲(chǔ)能力, 從圖6(A) 可以看出, Pt/mAl2O3催化劑上的鄰二甲苯吸附量?jī)H為50 μmol/g, 盡管介孔Al2O3具有一定的介孔結(jié)構(gòu),但是VOCs分子通常吸附在沸石分子篩的B酸位 上[19], 而Al2O3表面缺乏B酸位, 無(wú)法有效地吸附鄰二甲苯。Pt/ZSM-5催化劑上的鄰二甲苯存儲(chǔ)量同樣較低, 約為93 μmol/g, 這主要是由于鄰二甲苯的分子動(dòng)力學(xué)直徑大于分子篩的微孔孔徑, 使得鄰二甲苯無(wú)法有效吸附在傳統(tǒng)分子篩的孔道內(nèi)。Pt/mZSM-5的鄰二甲苯存儲(chǔ)量在三種樣品中最高, 達(dá)到780 μmol/g, 約為傳統(tǒng)分子篩的8倍。這是由于鉑高度分散在多級(jí)孔ZSM-5分子篩的外表面上, 不會(huì)影響到鄰二甲苯的吸附。與此同時(shí), 多級(jí)孔分子篩上大量介孔孔道的存在有利于鄰二甲苯進(jìn)入分子篩的孔道內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散及吸附, 從而達(dá)到提高鄰二甲苯吸附量的目的。

圖6(B)給出了Pt/mZSM-5、Pt/ZSM-5和Pt/mAl2O3催化劑的鄰二甲苯催化燃燒性能。三種催化劑的催化活性順序與吸附能力相一致,100的順序?yàn)镻t/ mAl2O3>Pt/ZSM-5>Pt/mZSM-5, 其中Pt/mZSM-5催化劑的活性最好, 可以在180 ℃完全催化分解鄰二甲苯。由表征結(jié)果可知, 顆粒較大的鉑金屬顆粒不利于化學(xué)吸附反應(yīng)物分子, 因而催化活性較低, 而多級(jí)孔ZSM-5分子篩上鉑的顆粒較小、分散度較高, 存在大量低配位的Pt納米粒子, 易于捕捉鄰二甲苯污染物分子進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)。值得注意的是, 在催化燃燒鄰二甲苯的過(guò)程中, Pt納米粒子負(fù)載量及Pt分散度起到至關(guān)重要的作用, 而載體本身僅起到輔助作用, 盡管多級(jí)孔ZSM分子篩中引入了大量的介孔結(jié)構(gòu), 使得甲苯的存儲(chǔ)量比傳統(tǒng)分子篩提高了約8倍, 但其介孔結(jié)構(gòu)對(duì)于催化燃燒鄰二甲苯 過(guò)程的作用僅僅是有助于反應(yīng)物分子的吸附和傳質(zhì)過(guò)程。

圖7 Pt/mZSM-5催化劑上三次“吸附-催化燃燒”脫除鄰二甲苯過(guò)程中, 二氧化碳和鄰二甲苯濃度隨時(shí)間變化曲線

圖7在Pt/mZSM-5催化劑上考察了三次循環(huán)的“吸附-催化燃燒”脫除鄰二甲苯的活性。在吸附階段, 總流量為50 mL/min的包含鄰二甲苯的模擬空氣流經(jīng)催化劑床層, 存儲(chǔ)時(shí)間約為50 min, 存儲(chǔ)過(guò)程中沒(méi)有鄰二甲苯的逸出。氧化階段實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下, 存儲(chǔ)鄰二甲苯后的Pt/mZSM-5催化劑在100 mL/min的模擬空氣下程序升溫氧化, 升溫速率為10 ℃/min, 溫度升至300 ℃后停止升溫, 整個(gè)升溫過(guò)程約為27 min。從圖7可以看出, 隨著溫度升高, 催化劑的氧化能力提高, 在155和280 ℃左右分別有兩個(gè)CO2的生成峰, 表明在該溫度下存儲(chǔ)的鄰二甲苯被氧化為CO2和H2O, 其中, 155 ℃左右的脫附峰歸屬于吸附在載體介孔孔道中的鄰二甲苯的脫附, 280 ℃左右的脫附峰歸屬于吸附在載體微孔孔道中的鄰二甲苯的脫附, 兩種不同吸附位的鄰二甲苯脫附后, 直接在Pt活性位的作用下, 原位被氧化為CO2和H2O, 并不是以鄰二甲苯分子的形式脫附。當(dāng)所有的鄰二甲苯完全脫附并原位氧化后, 催化劑得以原位再生。在線檢測(cè)結(jié)果表明, 沒(méi)有產(chǎn)生CO等副產(chǎn)物。而三次循環(huán)的碳平衡都可以達(dá)到97%以上。上述結(jié)果表明, Pt/mZSM-5催化劑在“吸附–催化燃燒”脫除鄰二甲苯的循環(huán)過(guò)程中展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本研究首先以F127為軟模板, 基于蒸汽輔助法合成出具有介/微多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的ZSM-5分子篩, 再利用等體積浸漬法將鉑以高度分散的形式負(fù)載到分子篩載體, 從而成功制備出載鉑多級(jí)孔ZSM-5分子篩?；谶@種新型的材料, 研究了其對(duì)鄰二甲苯的吸附能力、催化燃燒性能及“吸附–催化燃燒”脫除鄰二甲苯的活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的形成提高了鉑的分散度, 有利于提高鄰二甲苯的催化燃燒性能, 同時(shí)介孔結(jié)構(gòu)的形成顯著提升了鄰二甲苯的吸附能力。此外, 載鉑多級(jí)孔ZSM-5分子篩在“吸附–催化燃燒”脫除鄰二甲苯循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)出較好 的穩(wěn)定性, 且無(wú)二次污染物產(chǎn)生, 具有良好的應(yīng)用前景。

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Pt Supported Hierarchical ZSM-5 Zeolite as Adsorbent/Catalytic Combustion Catalyst for-xylene Elimination

CHEN Meng-Qiu, WANG Yu, YANG Deng-Yao, WU Hong-Juan, GUO Li-Min

(School of Environmental Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Pt/hierarchical ZSM-5 zeolites were successfully synthesized by the steam-assisted crystallization and subsequent wetness impregnation method. Structural features were characterized by XRD, N2isotherm, SEM, and TEM.Its catalytic behaviors for-xylene storage at room temperature, and catalytic combustion of stored-xylene at elevated temperatures were evaluated. It was found that crystallinity of the product underwent a reducing tendency after introduction of mesostructure, but the mesoporosity and pore volume were remarkably increased. Compared with Pt/conventional ZSM-5 zeolite, the-xylene adsorption capacity of Pt/hierarchical HZSM-5 was around 8 times as that of the counterpart without mesostructure. Moreover, the Pt dispersion was improved due to mesoporosity. The highly dispersed Pt nanoparticles were beneficial for catalytic combustion of-xylene. Futhermore, Pt/hierarchical ZSM-5 showed the efficient bi-functional performance during adsorption/catalytic combustion cycling process for-xylene. Carbon balance was kept for three cycles without secondary pollutants, showing higher adsorption capacity and better reusing stability.

Pt-based catalysts; hierarchical zeolites; VOCs; adsorption; catalytic combustion

鄔紅娟, 教授. E-mail: hongjuanwu@hust.edu.cn; 郭利民, 教授. E-mail: lmguo@hust.edu.cn

TQ174

A

1000-324X(2019)02-0173-06

2018-04-08;

2018-06-04

高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(SKL201707SIC); 中國(guó)博士后科學(xué)基金(2016M602303) Opening Project of State Key Laboratory of High Performauce Ceramics and Superfine Microstructure (SKL201707SIC); China Postdoctoral Science Foundation (2016M602303)

陳孟秋(1984–), 男, 博士研究生. E-mail: mqchen@hust.edu.cn

10.15541/jim20180146