寧波材料所制備出高性能CO氧化催化劑Co-OMS-2分子篩
CO催化氧化反應(yīng)涉及煙草降害、汽車尾氣凈化、防毒面具、CO氣體探測器以及燃料電池等諸多領(lǐng)域，因此對CO氧化反應(yīng)催化劑的開發(fā)一直是催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。貴金屬催化劑雖然性能優(yōu)異，但價(jià)格昂貴，市場應(yīng)用受限。相比之下，非貴金屬催化劑憑借低廉的價(jià)格和較好的催化活性受到了廣泛的關(guān)注。但是這類催化劑對真實(shí)應(yīng)用環(huán)境中存在的水汽十分敏感，金屬活性位容易被水分子覆蓋迅速失活。因此，如何在水汽存在的真實(shí)環(huán)境中保持高的催化性能，仍是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)。
為了解決上述問題，寧波材料所非貴金屬催化材料研究團(tuán)隊(duì)利用一步水熱合成方法，成功將鈷等過渡金屬元素引入K-OMS-2的骨架中，制備出了Co-OMS-2分子篩。研究表明，摻雜后的Co-OMS-2具有納米纖維狀的形貌，且比表面積由70.6m2/g增加至188.3 m2/g (圖1)。鈷離子取代了骨架錳離子，增強(qiáng)了活性氧物種的移動(dòng)性，提高OMS-2的還原性能。另外，鈷的摻雜使得OMS-2催化劑表面的疏水性增強(qiáng)。對該催化劑進(jìn)行CO氧化性能評(píng)價(jià)(圖2，圖3)，無水條件下，30 °C時(shí)CO轉(zhuǎn)化率便達(dá)到了100%，60 °C的反應(yīng)速率為67 mmol g-1 h-1，是未摻雜的OMS-2催化劑反應(yīng)速率的28.8倍。當(dāng)反應(yīng)氣中引入3%水汽后，Co-OMS-2催化劑在100°C以上的評(píng)價(jià)溫度轉(zhuǎn)化率均維持在100%。通過與Au/CeO2，Pt/CeO2和 Au1Cu1/CeO2等貴金屬催化劑對比T50（轉(zhuǎn)化率為50%的反應(yīng)溫度）和該溫度下的反應(yīng)速率等參數(shù)(圖2b)，Co-OMS-2催化劑的抗水性能不亞于貴金屬催化劑。該工作為工業(yè)化生產(chǎn)高效廉價(jià)的凈化CO新材料提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)結(jié)果在ChemCatChem期刊以封面文章的形式發(fā)表(2017，9，1163-1167，DOI：10.1002/cctc.201601681 )。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目(51422212)、國家自然科學(xué)基金(21403261和21307142)、浙江省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目(LR16B030001)以及河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(ZW2014052)的資助。
圖1.形貌對比圖：(a) OMS-2；(b) Co摻雜的OMS-2
圖2. (a) OMS-2和摻雜Co的OMS-2催化氧化CO的催化活性比較；(b) 與文獻(xiàn)中Au/CeO2，Pt/CeO2和 Au1Cu1/CeO2等貴金屬催化劑抗水性能比較
圖3. Co摻雜的OMS-2催化CO氧化反應(yīng)應(yīng)用示意圖
（新能源所 楊杰）