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催化劑是VOCs 催化燃燒領域研究的核心。VOCs 催化燃燒催化劑可分為貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑兩大類。雖然貴金屬催化劑如Pt、Pd 等對VOCs 的低溫催化燃燒反應有很高的催化活性,但其較高的成本以及敏感易受毒化的弱點,限制了貴金屬催化劑在實際的VOCs 脫除過程中的應用。而成本較低的非貴金屬催化劑一直被認為是貴金屬催化劑的優良替代者。
目前對非貴金屬催化劑的研究主要集中于提升其催化活性和抗毒化性能。催化VOCs 燃燒的非貴金屬催化劑中,Mn 基和Ce 基催化劑由于具有高活性、低成本、低毒性等優點而備受關注。研究較多的非貴金屬催化劑包括鈣鈦礦結構催化劑、尖晶石結構催化劑、復合過渡金屬氧化物催化劑、負載型催化劑及整體式催化劑等。
1 鈣鈦礦結構催化劑
鈣鈦礦結構催化劑通常指具有天然鈣鈦礦(CaTiO3)結構, 分子式符合ABO3 結構的金屬氧化物催化劑,因其具有良好的催化活性、熱穩定性和化學穩定性而受到廣泛關注。
2 尖晶石結構催化劑
尖晶石結構催化劑通常指分子式符合AB2O4結構的金屬氧化物催化劑,研究較多的包括Fe基尖晶石結構的CuFe2O4、MgFe2O4等,Mn 基尖晶石結構的NiMn2O4、CuMn2O4、CoMn2O4 等。
3 復合過渡金屬氧化物催化劑
對于非尖晶石或銳鈦礦結構的過渡金屬氧化物催化劑,包括單金屬氧化物和復合金屬氧化物。其中Mn 基復合金屬氧化物催化劑的研究多。
4 負載型催化劑
對于具有高活性的過渡金屬組分,通過將活性組分分散負載于金屬氧化物、分子篩等載體表面,制成負載型催化劑,可提高分散度,減小粒徑,增大活性組分與反應物分子的接觸面積,從而提高催化活性。
總結:
a) 含Mn、Cu、Ce 等過渡金屬復合氧化物以及具有鈣鈦礦結構、尖晶石結構的過渡金屬氧化物等催化劑的制備與評價是目前VOCs 催化燃燒領域的研究熱點,而有效地提高非貴金屬催化劑的活性和高溫穩定性是這些催化體系的研究重點;
b)催化劑活性組分的種類及分散性, 催化劑載體的種類、結構和比表面積等對催化燃燒反應有很大的影響;
c) 水蒸汽對于催化燃燒反應存在促進作用與抑制作用,要避免催化反應過程中S、Cl等元素引起催化劑中毒,提高催化劑的穩定性和使用壽命;
d) 催化燃燒過程除催化劑的制備外,還涉及反應器設計、傳質傳熱過程計算等多方面,今后的研究方向是將催化劑的制備和機理研究與實際應用中的工藝計算和設計相結合,開發出用于催化燃燒的高活性、高穩定性、價格低廉的催化材料和工藝。
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