氧化铈基材料的制备及其光催化脱硝性能研究

工业大量释放的氮氧化物产生了一系列破坏环境的酸雨、雾霾、光化学烟雾等大气污染物。因此，通过催化剂低温移除火电厂及柴油机发动机释放出的氮氧化物是目前的当务之急。然而，能在低温尤其是200℃以下选择性还原氮氧化物的催化剂依然还是空白。本项目针对这一现状，开发在低温下能导向光还原氮氧化物的氧化铈基能级梯度材料及技术。这种新型材料的设计理念是，使用含有丰富分级多孔结构的生物结构作为模板，制备具有仿生富集结构的材料；通过掺杂半导体、氧空位等向氧化铈的禁带中导入多个梯度能级，使得材料能够吸收利用可见光；进一步控制掺入半导体材料中金属离子与铈离子组成的循环变价体系与光生电子空穴对协同稳定氧空位的含量，使催化剂表面高活性的氧空位大幅促进导向光还原生成N2。系统研究这一反应系统的导向光还原效率、活性位与还原剂的作用机理，为设计遏制雾霾的新型氧化铈基催化材料提供实验及理论基础。
　　本文以黄瓜、莲藕为模板采用浸渍法制备仿生CeO2-CuO材料，在煅烧温度为550℃，煅烧速率为2℃/min条件下，材料形貌最为完整，孔道结构也最为丰富。经XRD、BET、SEM、TEM、UV-VIS、XPS表征后可知仿黄瓜形貌的CeO2-CuO的综合性能更为优异，其孔隙结构更为均匀，晶粒尺寸小，并且具有更大的比表面积及更高的可见光吸收利用率。
　　考察了过渡金属掺杂对于材料催化性能的影响，当氧化铈负载了铜以后，氧化铜以置换固溶的形式掺入到氧化铈晶格中，导致氧化铈晶格发生畸变，材料晶粒粒径减小，比表面积增大。同时随着氧化铜的掺入，一方面通过梯度耦合的方式减小了氧化铈的禁带宽度，使其对可见光产生响应；另一方面当Cu2+取代Ce4+，材料内部的氧空位便会增加，等价于在半导体的禁带中引入另一个杂质能级，这进一步促进了催化材料的可见光催化活性。随着铜负载量的增加，材料的粒径增大，比表面积减小，可见光催化活性也逐渐减弱。当铜负载量为0.2时，此时材料具备最好的催化性能。
　　通过重复实验得出了最佳反应条件，催化剂材料为仿黄瓜形貌的仿生CeO2-CuO、铜负载量为0.2、催化剂体积为6mL、NO浓度为600 ppm、NH3浓度为600 ppm、N2为载气、反应温度为140℃左右、空速为2000 h-1，此时催化剂的脱硝效率达到最高，对NO的去除率为85％。