金红石型氧化钛负载的铱在催化分解N2O推进剂反应中的应用

doi:10.1016/S1872-2067(18)63077-3

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (7): 1189-1193.DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63077-3

金红石型氧化钛负载的铱在催化分解N₂O推进剂反应中的应用

刘爽^a,b, 唐南方^a, 商庆浩^a,c, 吴春田^a, 许国梁^a, 丛昱^a

a 中国科学院大连化学物理研究所, 辽宁大连 116023;
b 中国科学院上海有机化学研究所, 上海 200032;
c 中国科学院大学, 北京 100049

收稿日期:2018-03-12 修回日期:2018-04-09 出版日期:2018-07-18 发布日期:2018-06-07
通讯作者: 丛昱
基金资助:
国家自然科学基金（21476229，21376236，21503264）.

Superior performance of iridium supported on rutile titania for the catalytic decomposition of N₂O propellants

Shuang Liu^a,b, Nanfang Tang^a, Qinghao Shang^a,c, Chuntian Wu^a, Guoliang Xu^a, Yu Cong^a

a Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China;
b Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China;
c University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received:2018-03-12 Revised:2018-04-09 Online:2018-07-18 Published:2018-06-07
Contact: 10.1016/S1872-2067(18)63077-3
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21476229, 21376236, 21503264).

摘要/Abstract

摘要：

氧化亚氮（N₂O）是一种性能独特优越的新型绿色推进剂，分解后可以生成高温富氧燃气，实现自增压式多种模式推进，是小卫星推进系统理想的推进剂选择，因而具有广阔的应用前景.在标准状态下，N₂O热分解反应活化能为250 kJ/mol，致使其非催化热分解温度高达600℃，显然小卫星的能源系统无法满足，必须采取催化分解的手段，改变反应路径、降低反应活化能，使N₂O能够在较低的温度下分解.
有关N₂O分解催化剂的报道很多，如纯相或复合氧化物、金属交换分子筛和负载贵金属等，但是这些催化剂仍然存在活性较低等问题，难以满足N₂O推进系统的应用需求.氧化钛是光催化和金催化常用的催化剂，经还原后能够形成氧缺陷，可以为涉氧反应提供电子，而N₂O分解会产生大量氧，氧脱附是其速率控制步骤，因而以氧化钛为载体，有望促进氧脱附及N₂O分解.与此同时，氧化铱具有较高的N₂O分解活性，而且与金红石型氧化钛晶格相似，相似的晶格参数可能会促进其在氧化钛表面的分散，进一步提高N₂O分解性能.基于此，本文以金红石氧化钛（r-TiO₂）为载体，采用匀相沉积沉淀法制备了不同载量的金红石氧化钛负载铱催化剂（Ir/r-TiO₂），并制备了锐钛矿型氧化钛、混合晶相P25和γ-Al₂O₃负载铱催化剂作为对比.
通过活性测试我们发现，Ir/r-TiO₂催化剂显示了非常优异的N₂O分解活性，N₂O转化率明显高于参比催化剂，在250℃就能够开始分解，在300℃可以分解完全，而且当Ir含量降低到0.1%时，催化剂仍然保持与2 wt% Ir/γ-Al₂O₃相当的催化活性.
随后我们采取多种表征手段对Ir/r-TiO₂的活性本质和N₂O分解机理进行了探究.首先利用BET、HAADF-STEM和XRD对催化剂的基本物性进行了测试，发现Ir/r-TiO₂具有较低的比表面积，但金属铱在金红石氧化钛表面表现出较高的分散度，平均粒径仅为1.25 nm.采用H₂-TPR和O 1s XPS考察了催化剂的电子特性和还原特性，发现Ir/r-TiO₂催化剂上高分散的Ir与氧的结合能较弱，易于还原，有助于N₂O的分解和生成氧的脱附.进一步采用原位N₂O-DRIFT对N₂O分解过程进行了研究，发现了桥式过氧物种，并据此提出了N₂O在Ir/r-TiO₂催化剂上的分解机理.

关键词: 多相催化, 氧化亚氮, 催化分解, 铱催化剂, 二氧化钛

Abstract:

N₂O is a promising green propellant and exhibits great potential for satellite propulsion systems. It is difficult for catalytic decomposition, which is an important way to initiate the propulsion process, to occur at temperatures below 600℃ due to the high activation energy of N₂O. In this work, we report an Ir supported on rutile TiO₂ (Ir/r-TiO₂) catalyst which exhibits a fairly high activity for high-concentration N₂O decomposition. HAADF-STEM, H₂-TPR, and XPS results indicate that highly dispersed Ir particles and improved oxygen mobility on the Ir/r-TiO₂ could facilitate the decomposition of N₂O and desorption of the adsorbed oxygen. Bridge-bonded peroxide intermediates were observed with in-situ DRIFT and herein, a detailed decomposition route is proposed.

Key words: Heterogeneous catalysis, Nitrous oxide, Catalytic decomposition, Iridium catalyst, Titania

刘爽, 唐南方, 商庆浩, 吴春田, 许国梁, 丛昱. 金红石型氧化钛负载的铱在催化分解N₂O推进剂反应中的应用[J]. 催化学报, 2018, 39(7): 1189-1193.

Shuang Liu, Nanfang Tang, Qinghao Shang, Chuntian Wu, Guoliang Xu, Yu Cong. Superior performance of iridium supported on rutile titania for the catalytic decomposition of N₂O propellants[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(7): 1189-1193.

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金红石型氧化钛负载的铱在催化分解N₂O推进剂反应中的应用

Superior performance of iridium supported on rutile titania for the catalytic decomposition of N₂O propellants

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