前驱体转化法可控制备γ-二氧化锰及其催化燃烧甲苯性能

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0696

摘要/Abstract

摘要：

采用前驱体转化法将四氧化三锰分别与硝酸、硫酸、醋酸进行歧化反应，制备了3组γ-二氧化锰催化剂（Mn-N、Mn-S、Mn-A），研究了不同酸对产物结构和形貌的影响。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（FE-SEM）、透射电镜（HR-TEM）、氮气吸附-脱附、X射线光电子能谱（XPS）、氢气程序升温还原（H₂-TPR）和氧气程序升温脱附（O₂-TPD）等表征方法系统分析了各产物的物化性质，并采用甲苯催化燃烧作为探针反应用于评估γ-二氧化锰催化剂的活性。结果表明，经硝酸处理得到的催化剂Mn-N具有最佳的甲苯催化燃烧活性，在质量空速为40 000 mL/（g·h）条件下，起燃温度T₁₀（对应转化率为10%）为190 ℃，完全燃烧温度T₉₀（对应转化率为90%）为229 ℃。这可能与其具有较大比表面积、较高的锰（Ⅲ）和吸附氧物种含量、较好的可还原性和晶格氧流动能力有关。此外，经过连续30 h的稳定性实验，Mn-N仍可保持良好的催化活性。

关键词: 前驱体转化, 四氧化三锰, γ-二氧化锰, 甲苯, 催化燃烧

Abstract:

Three groups of γ-MnO₂ catalysts（Mn-N，Mn-S，Mn-A） were prepared by disproportionation reaction between Mn₃O₄ and nitric acid，sulfuric acid，and acetic acid，respectively.The effect of different acid on the structure and morphology of the products was studied.The physical and chemical properties of the products were systematically analyzed by X-ray diffraction（XRD），scanning electron microscopy（FE-SEM），transmission electron microscopy（HR-TEM），nitrogen adsorption desorption，X-ray photoelectron spectroscopy（XPS），hydrogen temperature programmed reduction（H₂-TPR） and oxygen temperature programmed desorption（O₂-TPD）.And toluene catalytic combustion was used as a probe reaction to evaluate the activity of γ-MnO₂ catalyst.The results showed that the catalyst Mn-N treated with nitric acid had the best catalytic combustion activity for toluene.Under the condition of mass space velocity of 40 000 mL/（g·h），the ignition temperature T₁₀（corresponding conversion of 10%） was 190 ℃，and the complete combustion temperature T₉₀（corresponding conversion of 90%） was 229 ℃.This may be related to its large specific surface area，high content of Mn（Ⅲ） and adsorbed oxygen species，good reducibility and lattice oxygen flow ability.In addition，Mn-N could still maintain good catalytic activity after continuous stability experiments for 30 h.

Key words: precursor conversion, Mn₃O₄, γ-MnO₂, toluene, catalytic combustion

中图分类号:

TQ137.12

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图/表 10

图1

图2

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表1

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表2

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参考文献 36

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样品	比表面积/ （m²·g^-1）	平均孔径/ nm	催化燃烧甲苯活性		n（Mn³⁺）/ n（Mn⁴⁺）	n（O_A）/ n（O_L）	H₂-TPR 峰/℃	O₂-TPD 峰/℃
样品	比表面积/ （m²·g^-1）	平均孔径/ nm	T₁₀/℃	T₉₀/℃	n（Mn³⁺）/ n（Mn⁴⁺）	n（O_A）/ n（O_L）	H₂-TPR 峰/℃	O₂-TPD 峰/℃
Mn-N	155.2	17.36	190	229	1.70	1.15	217	441
Mn-S	82.0	17.50	203	237	1.58	0.96	240	464
Mn-A	115.2	23.56	211	258	1.13	0.77	248	487

样品	反应条件		催化燃烧甲苯活性
样品	甲苯体积分数/10^-6	空速/ （mL·g^-1·h^-1）	T₁₀/℃	T₉₀/℃
花状ε-MnO₂^［19］	1 000	40 000	217	280
棒状α-MnO₂^［20］	1 000	21 000	220	250
Mn10Cu1-S^［21］	1 000	15 000	210	258
10%MnO _x /HZSM-5-25^［22］	1 000	24 000	220	261
2%Co₃O₄/3DOM LSCO^［23］	1 000	21 000	190	243
Co₃O₄-400^［24］	1 000	20 000	218	259
Co₃O₄-KIT-6^［25］	1 000	15 000	203	233
5.8%Au/3DOM Mn₂O₃^［26］	1 000	40 000	211	244
6.5Au/3DOM Co₃O₄^［27］	1 000	40 000	215	256
Mn-N（制备样品）	1 000	40 000	190	229

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