Co-Cu 複合氧化物催化劑催化低濃度瓦斯燃燒性能研究

徐  鋒(fēng)，彭思惠，劉(liú)  培

(黑龍江科技大學 安全工程學院， 黑龍江  哈爾(ěr)濱(bīn)  150022)

摘  要 ：催化燃燒是目前轉化與利用低濃度瓦斯的有效方法之一。爲探究制備工藝對Co-Cu複合氧化物催化劑催化低濃度瓦 斯燃燒性能的影響，分别採用溶膠-凝膠法和共沉澱法，制備瞭Co-Cu複合催化劑，並用於低濃度瓦斯催化燃燒反應(甲烷體 積分數爲 1.69%)。考察瞭制備方法、焙燒溫度和n(Co):n(Cu)對催化劑性能的影響，並運用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍 射(XRD)、氫氣程序升溫還原(H2-TPR)和X射線光電子能譜(XPS)對催化劑進行瞭表征。結果表明，适宜的催化劑焙燒 溫度爲 400 °C、n(Co):n(Cu)爲 1:1，該條件下制備的催化劑催化活性最高。在該條件下，與溶膠-凝膠法制備的催化劑(n(檸檬

酸):n(金屬離子)爲 3:2)相比， 共沉澱法制備的催化劑具有更高的催化活性， 其甲烷轉化特征溫度T10、T50  和T90  (分别指甲烷轉 化率爲 10%、50%、90%時的溫度)分别降低瞭 6 °C、70 °C和 1 °C。

關鍵詞(cí) ：低濃度瓦斯；催化燃燒；Co-Cu複(fù)合氧化物；催化劑

Study on catalytic performance of Co-Cu composite oxide catalyst for low concentration gas combustion

XU Feng, PENG Sihui, LIU Pei

(School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, Heilongjiang, China)

Abstract: Catalytic combustion is one of the effective methods to convert and utilize low concentration gas at present. In order to investigate the effect of preparation technology on the catalytic performance of Co-Cu composite oxide catalyst for low concentration gas combustion, the Co-Cu composite catalyst was prepared by sol-gel method and coprecipitation method respectively and used for low concentration gas catalytic combustion reaction (a methane volume fraction is  1.69%). The effects of the preparation method, calcination temperature and n(Co):n(Cu) on the catalyst performance were investigated. The catalyst was characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), hydrogen programmed temperature reduction (H2-TPR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The optimum calcination temperature and n(Co):n(Cu) are 400 °C and 1:1, respectively. The catalyst prepared under these conditions has the highest catalytic activity.The results show that the catalysts prepared by coprecipitation method have

higher catalytic activity than that prepared by sol-gel method (n(citric acid):n(metal ion) is 3:2). The characteristic methane conversion temperatures of T10, T50  and T90  (at which methane conversion rate is 10%, 50%, and 90% respectively) are lower by 6 °C, 70 °C and 1 °C, respectively.

     低濃度瓦斯的甲烷(CH4 )濃度小於 30%(體積 分數)且波動大，緻使其利用率低，直接排放現象普 遍，造成瞭嚴重能源浪費和環境污染[1] 。催化燃燒 能夠使低濃度瓦斯在較低溫度下觸發燃燒，同時還能實現未燃燒碳氫化合物、CO和NOx等污染物的超 低濃度排放，甚至是零排放。其燃燒過程均勻、穩 定可控，是處理低濃度瓦斯的有效技術手段之一[2]。 低濃度瓦斯催化燃燒技術推廣應用的前提是制備和篩選出低溫活性好、熱穩定性強的催化劑。

     目前，用於瓦斯催化燃燒的催化劑主要分爲貴 金屬和非貴金屬氧化物兩大類，其中非貴金屬氧化 物催化劑因其儲量豐富，且價格相對低廉受到廣泛 關注[3] 。CuO和Co3O4  是甲烷催化燃燒普遍應用的 兩種非貴金屬氧化物催化劑。CuO具有儲氧放氧 的性能，且對CuO進行摻雜可以有效增加其晶格缺 陷，進一步提高儲氧放氧性能[4-7] 。HU等[8]模拟瞭(le)限域在Co3O4(110)表面，孤立單活性位點上的CH4  催 化燃燒反應機制，並(bìng)全面對比瞭(le)多活性位點機制發 生的催化循環，爲進一步提高催化燃燒反應中CH4 的氧化活性，提供瞭(le)重要的理論參考。然而，已有 報道的研究對象大部分是CuO或Co3O4  單組分催化 劑，對Co-Cu複合氧化物催化劑的研究較少。

      本文選取Co和Cu爲活性組分，分别採用溶膠- 凝膠法和共沉澱法，制備不同n(Co):n(Cu)的Co-Cu 複合氧化物催化劑，並用於低濃度瓦斯催化燃燒反 應，以期對低濃度瓦斯催化燃燒推廣應用提供理論和技術支持。

1    實(shí)驗(yàn)部分

1.1    實驗試劑和設備

本實驗所用試劑和設備(bèi)分别列於(yú)表 1 和表 2。

表 1    主要試劑及原材料

Table 1    Main reagents and raw materials

表 2    實驗儀器及設備

Table 2    Experimental instruments and equipments

1.2    催化劑制備

1.2.1    溶膠-凝膠法制備(bèi)催化劑(jì)

     按n(Co):n(Cu)爲 1:1，稱取一定質量的乙酸钴 和乙酸銅，加入 200 mL去離子水中，攪拌至完全溶 解得溶液A；按照n(檸檬酸):n(金屬離子)分别爲 1:1、 3:2 和 2:1，稱取相應質量的檸檬酸，溶於 50 mL無水 乙醇得溶液B ；将溶液A與B混合，並在 80 °C水浴下 攪拌約 7~9 h至凝膠狀。将凝膠狀産物置於幹燥箱中 110 °C幹燥 12 h後，經研磨，置於馬弗爐中分别 於 400 °C、500 °C和 600 °C下焙燒 3h，最後壓片、研 磨、篩分至 60~80  目，制得催化劑Co-Cu(SG)。根據3 種焙燒溫度與 3 種n(檸檬酸):n(金屬離子)，分别将 催化劑命名爲Co-Cu(SG400 1:1)、Co-Cu(SG400 3:2)、 Co - Cu(SG400  2:1) 、Co - Cu(SG500   1:1) 、 Co - Cu(SG500  3:2) 、Co - Cu(SG500  2:1) 、 Co - Cu( SG60 0  1: 1 ) 、Co - Cu( SG60 0  3: 2 )  和 Co-Cu(SG600 2:1)。

1.2.2    共沉澱(diàn)法制備(bèi)催化劑

     按照n(Co):n(Cu)分别爲 3:7、1:1 和 7:3，稱 取 一定質量的乙酸钴和乙酸銅，溶於 200 mL去離子 水中，攪拌至完全溶解得混合鹽溶液；配制濃度 爲 3 mol/L的碳酸鈉溶液；攪拌狀态下将碳酸鈉溶 液滴加至混合鹽溶液中，至溶液pH爲 9，攪拌 1 h並 靜置過夜；将靜置後的産物過濾、濾餅洗滌，110 °C 條件下幹燥 12 h ；随後将産物置於馬弗爐中分别 於 400 °C、500 °C和 600 °C下焙燒 3 h，最後壓片、 研磨、篩分至 60~80  目，制得催化劑Co-Cu(COP)。 根據 3 種焙燒溫度與 3 種n(Co):n(Cu)，分别将催化 劑命 名爲Co-Cu(COP400 3:7)、Co-Cu(COP400 1:1)、Co - Cu(COP400  7:3)、Co - Cu(COP500  3:7)、Co - Cu(COP500  1:1) 、Co - Cu(COP500  7:3) 、Co - Cu(COP600  3:7) 、Co - Cu(COP600  1:1) 、Co - Cu(COP600 7:3)。

1.3    催化劑性能評價

       採用固定床微型反應器進行催化劑性能評價。 U型管爲内徑 8 mm、外徑 10 mm、長度 180 mm，内 徑間距 40 mm 的石英管。稱取催化劑 100 mg，填 裝於(yú)U型管中，将U型管放置於(yú)微型U管式反應爐， 熱電偶測溫探針伸至催化劑表面；以甲烷濃度爲 1.69%的混合空氣爲原料氣，調節質量流量計，将原 料氣流速設爲 80 mL/min。實驗開始前，通原料氣 10 min置換U型管内空氣，再點擊控制程序開始實驗，以 20 °C/min的升溫速率将床層溫度從室溫升至 300 °C，並(bìng)以 50 °C爲台階，逐步升溫至 850 °C。每個台階溫度恒溫 15 min，並(bìng)收集氣體。以氮氣爲載氣，採用FL9790 Ⅱ型氣相色譜儀分析催化燃燒尾氣，色譜柱選取TDX-01 (3 mm × 1 m )，檢測器爲FID。檢測條件爲柱箱溫度 100 °C、進樣溫度 100 °C、熱導池 120 °C、輔助爐 350 °C、檢測器 220 °C。用甲烷轉化率代表催化劑在低濃度瓦斯催化燃燒反應中的催化活性，其計算公式見式(1)。

式中，XCH4  爲甲烷轉化率，%；和 分别爲催化反應前後(hòu)氣體中甲烷的體積(jī)分數，%。

1.4    催化劑表征

      掃描電(diàn)子顯微鏡(SEM)表征，採(cǎi)用美國FEI公司的Inspect F50 掃描電(diàn)子顯微鏡分析催化劑的形貌信息。

     X射線衍射(XRD)表征，通過日本Rigaku公司的Smartlab 9X射線衍射儀，輻射源爲Cu Kα，管電壓40 kV，管電流 150 mA，掃描範圍 2θ = 10°~85°，掃 描速度爲 5(°)/min。所得圖譜通過标準卡片進行對 比分析。

    氫氣程序升溫還原反應(H2-TPR)表征，採(cǎi)用國産VDSorb-91i程序升溫化學吸附分析儀，分析催化劑各組分的氧化還原性能。在測(cè)試前，将 20 mg催化劑預處理，儀器由 20 °C/min升溫至 200 °C，保溫 30 min待基線穩定，再降溫到 40 °C，等待 30 min後，繼續升溫至 450 °C，升溫速率爲 10 °C/min，實驗氣氛爲 10%的H2/Ar混合氣。

     X射線光電(diàn)子能譜(XPS)表征，採(cǎi)用美國ThermoFisher Scientific公司的K-AlphaX射線光電(diàn)子能譜儀研究催化劑表面元素組成及金屬價态等信息通過Avantage軟件進行分峰拟合。

2    結(jié)果與讨論(lùn)

2.1    催化劑性能分析

     爲瞭比較兩種催化劑制備方法，将催化劑Co - Cu(COP400  1:1)、Co - Cu(COP500  1:1)、Co -Cu(COP600 1:1)，以及催化劑Co-Cu(SG400 3:2)、Co-Cu(SG500 3:2)、Co-Cu(SG600 3:2)分别填裝於固定床反應器中，採用 1.3 節中描述的評價方法，進行低濃度瓦斯催化燃燒實驗，結果如圖 1 所示。由圖 1可知，甲烷轉化率随著反應溫度的升高而升高，當反應溫度達到 700 °C時，轉化率增長速率變快；當 反應溫度升至 800 °C時，甲烷幾乎完全轉化。焙燒 溫度從 400 °C至 600 °C，甲烷轉化率逐漸降低，說 明在實驗研究的範圍内，适宜的催化劑焙燒溫度爲 400 °C。共沉澱法制備的催化劑催化活性比溶膠- 凝膠法制備的催化劑高。

圖 1    催化劑焙燒溫度對甲烷轉化率的影響

Fig. 1    Effect of catalyst calcination temperature on methaneconversion rate

       研究者常用甲烷轉化率達 10%、50%和 90% 時對應的特征溫度T10、T50  和T90  評價催化劑的催化 活性。爲瞭更全面地比較催化劑的催化活性，對不 同方法制備的催化劑的T10、T50  和T90  進行瞭研究。 n(Co):n(Cu)是影響Co-Cu複合氧化物催化劑催化活 性的主要因素，在焙燒溫度爲 400 °C的條件下，研 究瞭n(Co):n(Cu)對Co-Cu(COP)催化劑T10、T50  和T90   的影響，結果如圖 2 所示。

圖 2    n(Co):n(Cu)對Co-Cu(COP)催化劑特征溫度的影響

  Fig . 2    Effect of n (Co):n (Cu) on  Co- Cu(COP)  catalystcharacteristic temperatures

      由圖 2 可知，n(Co):n(Cu)爲 3:7 和 1:1 的催化 劑T10 和T50 相差不大，僅爲 2 °C和 1 °C，但後者的完 全燃燒溫度T90  比前者低 37 °C，整體的催化效果後 者優於前者。此外，n(Co):n(Cu)爲 1:1 的催化劑特 征溫度T10、T50  和T90  均明顯低於爲 7:3 的催化劑，分别降低瞭 8 °C、20 °C和 24 °C。可見， n(Co):n(Cu)爲 1:1 時催化劑的催化活性最高。

      檸檬酸添加量影響溶膠-凝膠法制備的催化劑的催化活性。在保證n(Co):n(Cu)爲 1:1 的基礎上， 分析瞭焙燒溫度爲 400 °C的條件下， n(檸檬酸):n(金 屬離子)對Co-Cu(SG)催化劑T10、T50  和T90  的影響，結 果如圖 3 所示。由圖 3 可知，n(檸檬酸):n(金屬離子) 爲 3:2 時，Co-Cu(SG)的特征溫度T10、T50  和T90  最低， 但仍較催化劑Co-Cu(COP400 1:1)分别高 6 °C、70 °C 和 1 °C，印證瞭共沉澱法制備的催化劑催化活性較高的結論。

圖 3    n(檸檬酸):n(金屬離子)對Co-Cu(SG)催化劑特征溫度的影響

Fig. 3    Effect of n(citric acid)/n(metal ion) on Co-Cu(SG)catalyst characteristic temperatures

2.2    催化劑表征結果及分析

2.2.1    SEM分析

     催化劑的表面形貌直接影響催化劑的催化 活性。爲分析溶膠-凝膠和共沉澱兩種方法制備 的催化劑 的構效關系，分别對兩種催化劑進行 瞭SEM表征，結果如圖 4 所示。圖 4(a)~(c)分别 爲 催 化 劑 Co-Cu(SG400 3:2)、Co-Cu(SG500 3:2)、 Co-Cu(SG600 3:2)的照片，圖 4(d)~(f)分别爲催化劑 Co-Cu(COP400 1:1)、Co-Cu(COP500 1:1)、Co-Cu (COP600 1:1) 的照片。由圖 4 可知，Co-Cu(SG)催 化劑呈現相對有序的纖維棒狀結構，Co-Cu(COP) 催化劑呈現孔隙結構更爲發育的絮狀堆積結構。

     Co-Cu(COP)催化劑的結構更利於低濃度瓦斯中的 甲烷和氧氣在其表面吸附，進而發生催化燃燒反 應。因此，較溶膠-凝膠法制備的催化劑，共沉澱法 制備的催化劑催化活性高。後續僅對Co-Cu(COP) 催化劑進行表征。

圖 4    催化劑的SEM照片

Fig. 4    SEM images of catalysts

2.2.2    XRD分析

       爲瞭分析催化劑的物相組成及晶體結構等信 息，對 3 種不 同焙燒 溫度下n(Co):n(Cu)爲 1:1 的 Co-Cu(COP)催化劑進行瞭XRD表征，結果如圖5 所示。與PDF标準卡片對比，Co-Cu(COP)催化劑晶相 主要是CuO、Co3O4  和CuxCo3-xO4 。Co3O4  和Cu-Co複 合尖晶石類氧化物CuxCo3-xO4  的特征衍射峰幾乎融 合在一起，不易區分。這是由於Co2+ 和Co3+ 的半徑 都小於Cu的半徑，所以在Co-Cu(COP)制備過程中， Co離子會逐漸滲入到銅的氧化物晶格内，使Cu的 氧化物晶體産生畸變[9- 10]，從而形成新型Co-Cu複合 氧化物CuxCo3-xO4 。對於CuxCo3-xO4  尖晶石，晶相爲 Cu0.76Co2.24O4  (PDF:36- 1189)、Cu0.92Co2.08O4  (PDF:37- 0878)、Cu0.72 Co2.28 O4 (PDF:72-0241)、Cu0.27 Co2.73 O4  (PDF:78-2173)和Cu0.37Co2.63O4  (PDF:78-2174)。從 圖 5 中還可觀察到，随著焙燒溫度的不斷升高， CuO、Co3O4  和CuxCo3-xO4  3 種晶相的衍射峰強度有所升高，且逐漸尖銳化，說明随著焙燒溫度不斷增高，Co-Cu(COP)催化劑燒結現象逐漸加劇，晶體顆粒尺寸逐漸變大。這也是 400 °C焙燒條件下制備的Co-Cu(COP)催化劑活性較好的原因。

圖 5    Co-Cu(COP)催化劑的XRD譜圖

Fig. 5    XRD patterns of Co-Cu(COP) catalysts

2.2.3    H2 -TPR分析

     催化劑的氧化還原特性與催化活性密切相關。對 3種不同焙燒溫度下 n(Co):n(Cu)爲 1:1 的Co-Cu(COP)催化劑進行瞭H2-TPR表征，結果如圖 6所示。

圖 6    Co-Cu(COP)催化劑的H2-TPR 曲線  

    Fig. 6    H2-TPR curves of Co-Cu(COP) catalysts

     由圖 6 可知，不同焙燒溫度下制得的催化劑 的TPR峰數量相同，都存在兩個還原峰。結合XRD 表征和Cu的高還原性特征判斷，左側的TPR峰對應 CuO的還原峰，右側爲Co3O4  的還原峰。随著(zhe)焙燒 溫度的升高，峰型逐漸變寬，說明催化劑結晶度增 加。圖 6 中顯示，低溫還原峰的還原溫度随著(zhe)焙燒溫度的升高而升高，而催化劑的低溫還原峰對應的 溫度越低，催化活性越強，這也使得在 400 °C的焙 燒條件下制備(bèi)的催化劑活性最佳，這與催化劑活性 評價結果及XRD表征結果相符。

     對 3 種不同n(Co):n(Cu)下焙燒溫度爲 400 °C 的Co-Cu(COP)催化劑H2-TPR表征結果如圖 7 所示。 由圖 7 可知，n(Co):n(Cu)爲 1:1 的催化劑擁有最低 的低溫還原峰，具有較好的催化活性。這表明合适 的n(Co):n(Cu)可以使Co、Cu之間形成更好的協同作 用，從而促進催化活性提升。

圖 7    不同n(Co):n(Cu)的Co-Cu(COP)催化劑的H2-TPR 曲線

 Fig. 7    H2-TPR curves of Co-Cu(COP) catalysts with differentn(Co):n(Cu)

2.2.4    XPS分析

     爲獲取催化劑的元素組成和金屬價态等信息， 對 400 °C焙燒條件下制備的，n(Co):n(Cu)爲 1:1 的 Co-Cu(COP)催化劑進行瞭XPS表征，Cu 2p譜 圖、 Co 2p譜圖分别如圖 8、圖 9 所示。由圖 8 可知，Cu2p XPS譜圖由Cu 2p1/2、Cu 2p3/2  和兩個振蕩衛星峰 組成，其中Cu 2p1/2  的結合能在 952.4~954.5 eV内， Cu 2p3/2  的結合能在 932.4~935.5 eV内，兩個振蕩衛 星峰結合能分别在 962.4 eV和942.9 eV左右。利用 Avantage軟件，對Cu 2p3/2  特征峰分峰拟合，發現Cu 包含Cu2+、Cu+兩種價态，前者結合能約爲 934.5 eV，後者爲 932.6 eV。由圖 9 可知，Co 2p XPS譜圖由 結 合 能 分 别 爲 780.1 eV 和 795.2 eV 的Co 2p1/2、 Co 2p3/2  以及結合能爲 790.2 eV的振蕩衛星峰組成。 對Co 2p3/2  分峰拟合，得知催化劑中Co存在Co2+ 和 Co3+ 兩種價态。有研 究表 明[11]，Co3+ 陽離子作爲 VOCs、CO等氧化反應的活性位點，可以增強VOCs 的氧化還原反應。

     根據催化劑中銅、钴兩種金屬的價态，推測(cè)Cu2+ 和Co3+ 是反應的活性中心，其催化低濃度瓦斯燃燒的機制如下：低濃度瓦斯中的氧氣吸附於(yú)活性中心，形成吸附活性氧；吸附活性氧與反應氣中的甲烷反應，生成二氧化碳和水，在此過程中Cu2+ 和Co3+被還原成Cu+ 和Co2+；然後，Cu+ 和Co2+ 從反應氣中捕獲氧氣又被氧化成Cu2+和Co3+。

圖 8    Co-Cu(COP400 1:1)催化劑的XPS Cu 2p譜圖  

   Fig. 8    XPS Cu 2p spectra of Co-Cu (COP400 1:1) catalyst

圖 9    Co-Cu(COP400 1:1)催化劑的XPS Co 2p譜圖

    Fig. 9    XPS Co 2p spectra of Co-Cu(COP400 1:1) catalyst

3    結(jié)論(lùn)

     採用溶膠-凝膠法和共沉澱法分别制備瞭Co- Cu(SG)和Co-Cu(COP)兩大類催化劑，研究瞭制備 方法、焙燒溫度和n(Co):n(Cu)等因素對催化劑催化 燃燒低濃度瓦斯效果的影響，得到如下主要結論。

      (1)相較於溶膠-凝膠法，共沉澱法制備的Co- Cu(COP)催化劑具有更好的催化活性。其中，适宜的催化劑焙燒溫度爲 400 °C、n(Co):n(Cu)爲 1:1， 該條件下制備的催化劑催化活性最高。催化劑Co- Cu(COP400 1:1)的甲烷轉化特征溫度T10、T50  和T90   相較於催化劑Co-Cu(SG400 3:2)分别降低瞭 6 °C、 70 °C和 1 °C。

      (2) 根據表征結果可知，Co-Cu(COP)具有更 爲發育的孔隙結構，利於低濃度瓦斯中的甲烷和氧 氣在其表面吸附，晶相組成主要是CuO、Co3O4  和CuxCo3xO4，随著焙燒溫度的升高，催化劑燒結現象 逐漸加劇，因此在實驗研究的範圍内，适宜的催化 劑焙燒溫度爲 400 °C 。n(Co):n(Cu)爲 1:1 時，催化 劑中的Cu呈現Cu2+、Cu+ 兩種價态，而Co表現爲Co2+和Co3+，推測Cu2+和Co3+是低濃度瓦斯催化燃燒反應 的活性中心。

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