SnO_2基固溶體用于甲烷深度氧化:X射線衍射外推法測定SnO_2晶格容量（英文）

【摘要】：CH_4和CO是兩種主要的溫室效應(yīng)氣體和空氣污染物,催化氧化是最有效的消除CH_4和CO的方法.研發(fā)不含貴金屬的金屬氧化物催化劑或者減少催化劑中貴金屬用量為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn).SnO_2是一種重要的寬禁帶n型半導(dǎo)體材料,廣泛應(yīng)用于氣敏器件、鋰離子電池以及光電設(shè)備.SnO_2表面富含活潑的缺位氧且具有良好的熱穩(wěn)定性,因此其在催化方面的性能近年來逐漸受到人們關(guān)注.在過去的5年中,本團(tuán)隊(duì)深入研究了SnO_2材料在空氣污染治理和綠色能源生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用及其催化性質(zhì).發(fā)現(xiàn)通過其它陽離子如Fe~(3+),Cr~(3+),Ta~(5+),Ce~(4+)和Nb~(5+)等的摻雜,替換晶格中部分Sn~(4+),形成金紅石型SnO_2固溶體結(jié)構(gòu),顯著提高了催化劑氧物種的流動(dòng)性、活性和催化劑本身的熱穩(wěn)定性.固溶體材料是一類重要的催化劑,受到廣泛關(guān)注.一個(gè)典型的例子是鈰鋯固溶體,其作為儲(chǔ)氧材料已廣泛應(yīng)用于汽車尾氣凈化器.形成固溶體結(jié)構(gòu)后,氧化鈰的儲(chǔ)氧能力和熱穩(wěn)定性得到顯著提高.為有效形成固溶體,兩個(gè)陽離子需要具有相似的離子半徑和電負(fù)性.以往,人們基于結(jié)構(gòu)中金屬陽離子和氧陰離子的離子半徑提出了容忍因子的判別方法,以此來判斷固溶體是否能有效形成及所生成固溶體的穩(wěn)定性.我們?cè)谇捌诠ぷ髦?以Sn-Nb固溶體為例,提出了簡單的X射線衍射(XRD)外推法來計(jì)算固溶體晶格容量,即形成穩(wěn)定固溶體時(shí)客體陽離子取代主體晶格陽離子的最大值.作為延續(xù)工作,本文采用共沉淀法制備了一系列Sn/M(M=Mn,Zr,Ti,Pb)摩爾比為9/1的SnO_2基催化劑,并用于CH_4和CO催化氧化.結(jié)果表明,Mn~(3+),Zr~(4+),Ti~(4+)和Pb~(4+)均可以摻雜進(jìn)四方金紅石型SnO_2晶格中,形成穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu).其中Sn-Mn-O固溶體表現(xiàn)出最高活性.為了深入研究Mn_2O_3在SnO_2中的晶格容量及最優(yōu)催化劑配比,采用共沉淀法制備了一系列不同Sn/Mn摩爾比的樣品,采用XRD,N_2-BET,H_2-TPR,SEM和XPS等手段對(duì)其物理化學(xué)性能進(jìn)行了表征,并考察了對(duì)CH_4的催化氧化性能.通過XRD外推法測定了Mn~(3+)離子在SnO_2中的晶格容量為0.135g Mn_2O_3/g SnO_2,相當(dāng)于Sn/Mn摩爾比為79/21.這表明形成穩(wěn)定的固溶體后,SnO_2晶格中最多只有21%Sn~(4+)可以被Mn~(3+)替代;當(dāng)Mn~(3+)含量超過晶格容量時(shí),過量的Mn~(3+)在催化劑表面形成Mn_2O_3,對(duì)催化劑活性不利.類似于Sn-Nb-O固溶體,在Sn-Mn-O催化劑體系中亦觀察到明顯的晶格容量效應(yīng).純相的Sn-Mn-O固溶體比含過量Mn_2O_3晶相的Sn-Mn-O催化劑具有更高活性. 【作者單位】： 南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院;
【關(guān)鍵詞】： 二氧化錫基固溶體 X射線衍射外推法 晶格容量 甲烷深度氧化 一氧化碳催化氧化
【基金】：supported by the National Natural Science Foundation of China (21263015,21567016 and 21503106) the Education Department Foundation of Jiangxi Province (KJLD14005 and GJJ150016) the Natural Science Foundation of Jiangxi Province (20142BAB213013 and 20151BBE50006),which are greatly acknowledged by the authors~~
【分類號(hào)】：O621.251
【正文快照】：

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