不同沉淀剂制备的Co3O4低温催化氧化甲醛

doi:10.1016/S1872-2067(15)61086-5

摘要/Abstract

摘要：

室内空气中低浓度甲醛严重危害人类健康, 高效去除甲醛成为人们关注的课题. 在各种去除甲醛的方法中, 吸附法简单快速, 但是存在饱和吸附量的限制; 光催化降解法能够去除低浓度甲醛, 却会产生一些如臭氧等二次污染物; 低温催化氧化甲醛由于其高效和产物矿化完全而成为具有实际应用前景的技术. 虽然贵金属负载型催化剂具有室温去除甲醛的能力, 可是高昂的成本使其难以大规模应用. 过渡金属氧化物因其良好的催化氧化性能和较低的成本逐渐成为研究重点.
近期研究发现, 含钴的氧化物具有较高的催化氧化甲醛能力, 同时一些碱金属如钠或钾的加入可增加催化剂表面羟基物种, 从而有效促进了甲醛氧化. 沉淀法具有操作简单和条件易于控制等特点, 因此本文选取不同的沉淀剂 (NH₃·H₂O, KOH, NH₄HCO₃, K₂CO₃, KHCO₃) 采用沉淀法制备了 Co₃O₄催化剂并进行了甲醛催化氧化性能测试. 采用 X 射线衍射 (XRD)、原子吸收光谱 (AAS)、氢气程序升温脱附 (H₂-TPD)、X 射线光电子能谱 (XPS)和原位漫反射红外光谱 (in suit-DRIFTS) 等表征手段探讨了不同沉淀剂制备的催化剂催化甲醛氧化性能差异的原因.
结果显示, 在以 KHCO₃为沉淀剂制备的 Co₃O₄催化剂 (KHCO₃-Co) 上甲醛 (100 ppm) 完全氧化成 CO₂的温度为 90 ℃, 明显优于其他样品. 在以 NH₄HCO₃为沉淀剂制备的 Co₃O₄表面负载 2 wt%的 K₂CO₃后(PC/AHC-Co)具有和 KHCO₃-Co 相似的催化性能. XRD 结果表明, 各沉淀剂制备的 Co₃O₄均为尖晶石型, 晶粒尺寸约为 18nm, 衍射峰位置无明显偏移说明没有其他金属离子掺杂进 Co₃O₄晶体. 结构表征还表明, 采用含碳酸根或碳酸氢根离子试剂制备的样品具有较高的比表面积、孔体积和孔径, 可能是焙烧阶段碳酸钴分解产生大量 CO₂形成的, 而负载 K₂CO₃的样品各参数均大幅降低, 说明表面 K₂CO₃填补或堵塞了部分孔结构. AAS 结果表明, KHCO₃-Co 和 PC/AHC-Co 所含 K 离子浓度相近并显著高出其他沉淀剂制备样品, XPS 结果也证明了这一点. 这可能是由于在用 KHCO₃沉淀钴离子的过程中, 钾离子裹挟在沉淀物中不易被洗涤干净, 并且保留在焙烧后的样品中. H₂-TPR 和 XPS 结果显示, 用 KHCO₃作为沉淀剂时可以增加 Co₃O₄催化剂表面 Co³⁺/Co²⁺比例从而提高了氧化能力, 虽然本文 PC/AHC-Co 样品有着最高的 Co³⁺/Co²⁺比例, 但相对较低的比表面积和孔径减少了活性中心, 使得其活性与 KHCO₃-Co 相似. in suit-DRIFTS 结果表明, NH₄HCO₃-Co 催化剂上羟基基团在甲醛吸附阶段会被大量消耗, 并有二氧亚甲基 (DOM) 中间物种大量生成. 在氧化阶段, 随着温度升高, DOM 逐渐减少, 而甲酸盐和碳酸氢盐物种逐渐增多, 最后各物种趋近催化剂的初始状态. 在 KHCO₃-Co 催化剂上, 甲醛吸附阶段有大量 DOM 和甲酸盐物种生成, 而羟基基团消耗并不明显. 在氧化阶段随着温度升高, DOM 逐渐减少, 甲酸盐逐渐增多并最后消失, 整个过程并未观测到碳酸氢盐物种生成. 这说明 KHCO₃-Co 样品在催化氧化甲醛反应中能够再生羟基基团, 进而提高了催化氧化甲醛活性.
综上所述, 以 KHCO₃为沉淀剂制备的 Co₃O₄样品具有最佳的甲醛催化氧化性能, 其在沉淀过程中样品上会残留一定量钾离子, 其作用与在 Co₃O₄表面负载相当量的 K₂CO₃相似. Co₃O₄催化氧化甲醛活性高的主要原因是催化剂表面存在 K⁺和 CO₃²^-并且具有适当的 Co³⁺/Co²⁺混合价态.

关键词: 甲醛氧化, 催化, 四氧化三钴, 沉淀法, 钾离子

Abstract:

Co₃O₄ catalysts prepared with different precipitants (NH₃·H₂O, KOH, NH₄HCO₃, K₂CO₃ and KHCO₃) were investigated for the oxidation of formaldehyde (HCHO). Among these, KHCO₃-precipitated Co₃O₄ (KHCO₃-Co) was the most active low-temperature catalyst, and was able to completely oxidize HCHO at the 100-ppm level to CO₂ at 90 ℃. In situ diffuse reflectance infrared spectroscopy demonstrated that hydroxyl groups on the catalyst surface were regenerated by K⁺ and CO₃^2-, thus promoting the oxidation of HCHO. Moreover, H₂-temperature programmed reduction and X-ray photoelectron spectroscopy showed that employing KHCO₃as the precipitant increased the Co³⁺/Co²⁺ molar ratio on the surface of the Co₃O₄ catalyst, thus further promoting oxidation. Structural characterization revealed that catalysts precipitated with carbonate or bicarbonate reagents exhibited greater specific surface areas and pore volumes. Overall, these data suggest that the high activity observed during the Co₃O₄ catalyzed oxidation of HCHO can be primarily attributed to the presence of K⁺ and CO₃^2- on the Co₃O₄ surface and the favorable Co³⁺/Co²⁺ ratio.

Key words: Formaldehyde oxidation, Catalysis, Cobalt oxide, Precipitation method, Potassium ion

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Low-temperature catalytic oxidation of formaldehyde over Co₃O₄ catalysts prepared using various precipitants

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