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
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 oC, 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 oC就能够开始分解, 在300 oC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.
多相催化、氧化亚氮、催化分解、铱催化剂、二氧化钛
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国家自然科学基金21476229,21376236,21503264.This work was supported by the National Natural Science Foundation of China21476229,21376236,21503264
2018-06-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
共6页
1189-1193,中插1-中插4
