La2CoAlO6催化劑的制備及其甲烷催化燃燒性能

張慧敏 胡瑞生,* 胡佳楠 張玉龍

(1內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,稀土材料化學(xué)與物理重點實驗室,呼和浩特010021; 2Western Research Institute,365 N 9St,Laramie,Wyoming,USA)

La2CoAlO6催化劑的制備及其甲烷催化燃燒性能

張慧敏1胡瑞生1,*胡佳楠1張玉龍2

(1內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,稀土材料化學(xué)與物理重點實驗室,呼和浩特010021;2Western Research Institute,365 N 9St,Laramie,Wyoming,USA)

采用溶膠-凝膠法,以檸檬酸為絡(luò)合劑制備了新型稀土雙鈣鈦礦催化材料La2CoAlO6,利用X射線粉末衍射(XRD)、H2-程序升溫還原(H2-TPR)、比表面(BET)、掃描電鏡(SEM)、傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜和磁性測試等手段對其進(jìn)行了表征,以甲烷催化燃燒反應(yīng)為探針考察了其催化活性.結(jié)果表明,在空氣氣氛中,經(jīng)過1100°C焙燒3 h后,可以形成穩(wěn)定的單相稀土雙鈣鈦礦型化合物L(fēng)a2CoAlO6,且該化合物表現(xiàn)出較好的甲烷催化燃燒活性,起燃溫度(T10)和完全轉(zhuǎn)化溫度(T90)分別為434.1和657.4°C.與稀土單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3和LaAlO3相比,其T10分別降低了56.5和138.2°C,T90分別降低了84.6和108.9°C.H2-程序升溫還原結(jié)果表明,稀土雙鈣鈦礦型化合物L(fēng)a2CoAlO6有較低的還原溫度,并且經(jīng)過H2-程序升溫還原反應(yīng)后,La2CoAlO6樣品XRD圖中的所有衍射峰均向小角度方向發(fā)生了移動.掃描電子顯微鏡的結(jié)果表明,稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6表現(xiàn)出無規(guī)則的片狀形貌及較強(qiáng)的抗燒結(jié)性.此外還發(fā)現(xiàn)稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6的磁滯回線較為特殊.

稀土;雙鈣鈦礦;單鈣鈦礦;甲烷催化燃燒;溶膠-凝膠法

1 引言

甲烷催化燃燒可以在較低的溫度下完全高效地燃燒,減少NOx等污染物的生成,具有節(jié)能減排的作用,近年來引起了人們的極大興趣.1,2在常用的甲烷催化燃燒體系中,貴金屬催化劑低溫活性突出,3,4但價格昂貴、熱穩(wěn)定性差,在高溫下容易燒結(jié)失活,限制了其應(yīng)用.單鈣鈦礦型化合物(ABO3)具有高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)可裁剪性以及氧化還原性等,5近年來作為甲烷高溫燃燒催化劑得到了廣泛的關(guān)注,并取得了一些成果.6-8但到目前為止,雙鈣鈦礦型化合物(A2B′B″O6)作為甲烷高溫燃燒催化劑的研究報道尚不多見.

早在上世紀(jì)50年代末,雙鈣鈦礦型化合物就相繼被人們發(fā)現(xiàn)和制備,但自1998年Kobayashi等人9報道了雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)多晶材料Sr2FeMoO6有巨磁電阻以后,雙鈣鈦礦材料才引起了人們的關(guān)注和重視.10在隨后的短短幾年內(nèi),物理學(xué)界對其相關(guān)體系材料的電、磁性質(zhì)及輸運性質(zhì)展開了大量廣泛的研究.11-13然而化學(xué)界對雙鈣鈦礦型化合物的研究相對較少,2004年Falcón等人14首次報道了雙鈣鈦礦型化合物Sr2FeMoO6作為甲烷高溫燃燒催化劑,并且表現(xiàn)出良好的甲烷催化燃燒活性.本文采用檸檬酸溶膠-凝膠法,在空氣氣氛中1100°C焙燒3 h后,成功制備出了新型稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6,以甲烷催化燃燒反應(yīng)為探針考察了其催化活性,并與相對應(yīng)的稀土單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3和LaAlO3的甲烷催化燃燒性能進(jìn)行了比較,得到了一些有意義的結(jié)果.

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

實驗所用試劑:La(NO3)3·6H2O,Co(NO3)2· 6H2O,檸檬酸(分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);Al(NO3)3·9H2O(分析純,北京化學(xué)試劑有限公司).

樣品的XRD測試是在德國BRUKER公司D8ADVANCE型X射線衍射儀上進(jìn)行的.測試條件為Cu-Kα輻射源,工作電壓40 kV,工作電流100 mA,掃描范圍10°-80°,掃描速率2(°)·min-1.H2-程序升溫還原(H2-TPR)是在TP-5000型多用吸附儀(天津先權(quán)儀器公司制造)上完成的.以H2和N2的體積比為5:95的混合氣為還原氣,流量為50 mL·min-1,熱導(dǎo)池檢測器檢測耗氫量,升溫速率10°C·min-1,最高還原溫度900°C.比表面積(BET)的測定是在美國Micromeritics公司的ASAP2020M型表面孔徑分析儀上完成.以高純氮(99.999%)為吸附氣體,液氮溫度為吸附溫度,BET方程計算比表面.樣品的掃描電鏡測試是在日本日立公司S-3400N型掃描電鏡上進(jìn)行的,加速電壓15.0 kV.傅里葉變換紅外(FTIR)光譜測試采用美國Nicolet Nexus FT-IR670型紅外分光光度計,KBr壓片.磁性測量采用美國LareShore7407-型振動催化劑磁強(qiáng)計,測量溫度為295 K,控溫精度為0.1 K,測量精度為10-7A·m2.

2.2 催化劑的制備

按一定摩爾比將La(NO3)3·6H2O、Co(NO3)2· 6H2O和Al(NO3)3·9H2O溶于去離子水中,攪拌得透明溶液,加入適量的檸檬酸以使其充分絡(luò)合,70°C水浴熱縮得透明粘稠狀膠體,100°C干燥24 h得干膠,500°C焙燒3 h得氧化物原粉,最后該氧化物原粉再經(jīng)1100°C焙燒3 h,制備出1#樣品雙鈣鈦礦型La-Co-Al-O體系催化劑.為了進(jìn)行比較,我們以同種方法合成了2#樣品單鈣鈦礦型La-Co-O體系和3#樣品單鈣鈦礦La-Al-O體系催化劑.

2.3 催化劑的活性測試

采用常壓固定床石英反應(yīng)器(直徑10 mm)進(jìn)行催化劑活性的測試.催化劑顆粒為40-60目,用量為200 mg.反應(yīng)混合氣CH4:O2:N2的組成為2:18:80(體積百分比).氣體流速由質(zhì)量流量計控制,空速為48000 h-1.采用程序升溫控制儀控制反應(yīng)溫度,采用佛山分析儀器廠的FQ-W型CH4紅外分析儀分析與計算該反應(yīng)在不同溫度下達(dá)到穩(wěn)定后的CH4轉(zhuǎn)化率.

3 結(jié)果與討論

3.1 催化劑物相分析

理想的立方單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(ABO3)可以看作是在BO6八面體里結(jié)合A離子所形成的固溶體.各離子半徑間滿足下列關(guān)系:RA+RO=21/2(RB+RO)(其中, RA、RB、RO分別為A位離子半徑、B位離子半徑、O離子半徑),但實際上鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可能存在偏差,可由Goldschmidt容忍因子t來度量:t=(RA+RO)/21/2(RB+ RO).當(dāng)t=1.0時,對應(yīng)的是理想立方晶系的鈣鈦礦結(jié)構(gòu);當(dāng)0.75＜t＜1時,ABO3化合物也能具有穩(wěn)定的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且根據(jù)離子大小不同可以形成六方、立方、正交等晶系.15,16對于雙鈣鈦礦A2B′B″O6結(jié)構(gòu)來說,RB=0.5(RB′+RB″).14,17由上述兩公式計算出三種催化劑La2CoAlO6、LaCoO3、LaAlO3的容忍因子分別為0.830、0.811、0.899,列于表1中,可見從容忍因子角度看,它們均具備生成穩(wěn)定鈣鈦礦型化合物的能力.

圖1為經(jīng)1100°C焙燒3 h后三種催化劑的XRD譜圖,其比表面積、平均粒徑和晶胞參數(shù)見表1.從圖中可以看出,La2CoAlO6(1#樣品)在2θ為23°、32°、40°、46°、52°、58°和68°附近出現(xiàn)了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的特征衍射峰,沒有雜相峰的出現(xiàn),結(jié)合文獻(xiàn)報道,18可以確定所制備的樣品形成了單相的稀土雙鈣鈦礦型化合物L(fēng)a2CoAlO6.LaCoO3(2#樣品)和LaAlO3(3#樣品)的XRD譜圖分別與LaCoO3標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS 48-0123)和LaAlO3標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS 31-0022)相一致,且沒有雜相峰的出現(xiàn),說明分別形成了單相的稀土單鈣鈦礦型化合物L(fēng)aCoO3和LaAlO3.雙鈣鈦礦La2CoAlO6與單鈣鈦礦LaAlO3、LaCoO3相比較,其部分衍射峰發(fā)生了少許偏移但不明顯.從表1中可知, LaAlO3有較大的比表面積(9.44 m2·g-1),但結(jié)合活性曲線可知其催化活性最差;LaCoO3的活性較好,比表面積卻較小(0.72 m2·g-1);La2CoAlO6比表面積(1.10 m2·g-1)較LaCoO3有所提高,這說明比表面積不是影響催化劑活性的關(guān)鍵因素,在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中不同的B位元素對催化劑甲烷燃燒活性有較大的影響.19同時催化劑比表面積在甲烷燃燒反應(yīng)前后的變化不到20%,說明三種催化劑在經(jīng)過1100°C焙燒后,具有良好的熱穩(wěn)定性.從表1中催化劑的晶胞參數(shù)可知,La2CoAlO6、LaAlO3和LaCoO3均為六方晶系,結(jié)構(gòu)偏離理想的立方晶系,這是由于所制備的三種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)催化劑的容忍因子t偏離1.0,從而使其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變所致.20

圖1 樣品的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of samples(a)La2CoAlO6,(b)LaCoO3,(c)LaAlO3

3.2 催化活性分析

圖2是催化劑的甲烷催化燃燒活性曲線,通常甲烷燃燒催化劑的活性可以用三個性能指標(biāo)去進(jìn)行初步評價,即甲烷轉(zhuǎn)化10%時的溫度(通常稱為起燃溫度,用T10表示)、甲烷轉(zhuǎn)化50%的溫度(用T50表示)和甲烷轉(zhuǎn)化100%溫度(用T100表示,有時也用T90來近似地表示完全轉(zhuǎn)化溫度),轉(zhuǎn)化溫度越低,甲烷催化燃燒活性越好.我們將這三個性能指標(biāo)列于表2中.由圖2和表2可見,所制備的新型稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6(1#樣品)的甲烷催化燃燒活性明顯高于相應(yīng)的單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3(2#樣品)和LaAlO3(3#樣品),活性順序近似為:La2CoAlO6＞LaCoO3＞LaAlO3.稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6與稀土單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3、LaAlO3相比,其起燃溫度T10分別降低了56.5和138.2°C,完全轉(zhuǎn)化溫度T90分別降低了84.6和108.9°C,同時500°C之后反應(yīng)速率較快,這也是雙鈣鈦礦型催化劑的主要優(yōu)點之一.

眾所周知,在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中,B位元素是影響甲烷催化燃燒活性的主要因素之一.為了更好地說明雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6優(yōu)良的甲烷催化燃燒活性,我們又采用機(jī)械混合的方法,將兩種單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3和LaAlO3按照1:1的摩爾比進(jìn)行混合后測試其催化活性(4#樣品),如圖3所示.從圖中可明顯看出,稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6(1#樣品)的甲烷燃燒催化活性明顯高于單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3和LaAlO3的混合物(4#樣品),這說明在雙鈣鈦礦催化劑La2CoAlO6結(jié)構(gòu)中,Co、Al元素之間存在著協(xié)同作用,而這種協(xié)同作用對甲烷催化燃燒反應(yīng)是有利的.而在4#樣品中,由于Co、Al元素分別處于不同的單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶格中,不能有效地使Co、Al元素之間產(chǎn)生作用,所以4#樣品雖然有著和雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6相同的元素組成,但其活性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及La2CoAlO6樣品.由此可見,鈷鋁雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可以有效地使鈷、鋁元素結(jié)合在一起發(fā)揮作用.

表1 催化劑容忍因子(t)、比表面積(SBET)、平均粒徑及晶胞參數(shù)Table 1 Tolerance factor(t),specific surface area(SBET),crystallite,and lattice constants of catalysts

圖2 (a)La2CoAlO6、(b)LaCoO3和(c)LaAlO3樣品的催化活性曲線Fig.2 Catalytic performance of samples(a)La2CoAlO6, (b)LaCoO3,and(c)LaAlO3

3.3 催化劑H2-TPR分析

在甲烷催化燃燒反應(yīng)中,催化劑的氧化還原性能與催化劑活性密切相關(guān).程序升溫還原(TPR)技術(shù)廣泛用于催化劑還原性質(zhì)的研究,可以方便地分析催化劑中氧物種的數(shù)量和類型,21,22但目前有關(guān)雙鈣鈦礦化合物的H2-TPR分析報道并不多見,圖4為合成的系列催化劑的H2-TPR譜圖.

表2 樣品的催化性質(zhì)Table 2 Activities of the catalysts

圖3 La2CoAlO6和LaCoO3+LaAlO3樣品的催化活性曲線Fig.3 Catalytic performance of samples La2CoAlO6and LaCoO3+LaAlO3

圖4 樣品的H2-TPR圖譜Fig.4 H2-TPR spectra of samples(a)La2CoAlO6,(b)LaCoO3,(c)LaAlO3

圖5 H2-TPR前后La2CoAlO6催化劑的XRD譜圖Fig.5 XRD patterns of the La2CoAlO6catalyst before and after H2-TPR

從圖4中可以看出,三種催化劑的H2-TPR譜圖有明顯區(qū)別,稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6只在350°C左右出現(xiàn)了一個低溫還原峰.值得注意的是,該峰比單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3的低溫還原峰降低了30°C左右(見圖4).通常情況下,Co3+→Co2+對應(yīng)的還原峰在400°C附近,Co2+→Co0的還原峰在630至670°C之間,23,24Al3+→Al0的還原則一般發(fā)生在900°C以上.25對比圖中三種催化劑可知,稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6(1#樣品)只在350.7°C處出現(xiàn)了一個還原峰,此還原峰可歸屬于體相Co3+→Co2+還原,而通常出現(xiàn)在630至670°C之間的Co2+→Co0的還原峰卻沒有出現(xiàn),這很可能是由于在雙鈣鈦礦型化合物L(fēng)a2CoAlO6中,Al3+離子的存在促進(jìn)了Co3+→Co2+的還原使還原峰向低溫方向產(chǎn)生了移動,同時抑制了Co2+→Co0的還原,這與Porta等人26報道的有關(guān)LaAl1-xMnxO3樣品的H2-TPR結(jié)果相類似.稀土單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3(2#樣品)在380.9和648.7°C出現(xiàn)的還原峰可分別歸屬于Co3+→Co2+和Co2+→Co0的還原.稀土單鈣鈦礦型催化劑LaAlO3(3#樣品)只在723.1°C處出現(xiàn)了一個較為微弱的還原峰,結(jié)合XRD測試結(jié)果可知,LaAlO3樣品中未發(fā)現(xiàn)影響TPR結(jié)果的雜質(zhì)樣品,我們認(rèn)為此還原峰可能是樣品表面少量Al3+還原為Al0所致.25H2-TPR譜線上的還原峰溫度的高低表征了樣品中氧的移動性的難易程度,還原峰溫越低說明氧的移動性越高.結(jié)合甲烷催化燃燒活性曲線分析,我們認(rèn)為稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6有較好的甲烷燃燒活性與此催化劑有比較低的還原峰溫度密切相關(guān).

此外,為了更好地解釋La2CoAlO6的H2-TPR結(jié)果,我們對經(jīng)過H2-TPR反應(yīng)以后的La2CoAlO6進(jìn)行了XRD表征,結(jié)果如圖5所示.從圖中可以看出, La2CoAlO6樣品在經(jīng)過H2-TPR反應(yīng)之后,其雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)未被破壞,沒有明顯金屬鈷的衍射峰出現(xiàn),說明在還原產(chǎn)物中基本沒有零價鈷.但La2CoAlO6樣品的所有衍射峰均向小角度方向發(fā)生了位移,大約為2°,根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)知識,衍射角度變小反映了d值和晶胞體積的增加,我們認(rèn)為主要是由于雙鈣鈦礦La2CoAlO6中半徑較小的Co3+離子還原為半徑較大的Co2+離子所導(dǎo)致的.

3.4 催化劑SEM分析

通常情況下,經(jīng)高溫焙燒后的催化劑均易燒結(jié)成塊,進(jìn)而影響催化劑活性.因此高焙燒溫度是考察和評價甲烷燃燒催化劑的耐熱性和穩(wěn)定性的主要指標(biāo)和依據(jù).圖6為經(jīng)1100°C焙燒3 h后制備的三種催化劑的掃描電鏡照片.從圖中可以明顯看出,三種樣品具有不同的形貌特征,稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6(1#樣品)呈薄片狀形貌,且有較大空隙,燒結(jié)現(xiàn)象不太嚴(yán)重;稀土單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3(1#樣品)有嚴(yán)重的燒結(jié)現(xiàn)象,從而影響其催化活性;稀土單鈣鈦礦型催化劑LaAlO3(1#樣品)表面有明顯的孔狀結(jié)構(gòu),但大小不均勻.

3.5 催化劑的FT-IR表征

圖6 三種催化劑的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of the three catalysts(a)La2CoAlO6,(b)LaCoO3,(c)LaAlO3

圖7 樣品的FT-IR譜圖Fig.7 FT-IR spectra of samples(a)La2CoAlO6;(b)LaCoO3;(c)LaAlO3

傅里葉變換紅外(FT-IR)吸收光譜技術(shù)是檢驗和判斷催化劑中的特征組分和基團(tuán)的比較靈敏的表征手段之一,27因此我們對所合成的稀土鈣鈦礦型催化劑進(jìn)行了傅里葉變換紅外吸收光譜表征,結(jié)果如圖7所示.從圖7中可看出,三種催化劑的FT-IR圖譜基本相似,均在400、600、1384、1620和3400 cm-1附近出現(xiàn)了紅外光譜特征吸收峰.但三者也存在著明顯不同(見圖中*號處).我們把譜圖上3400和1620 cm-1附近的寬吸收峰分別歸屬為水分子O－H鍵的伸縮和彎曲振動吸收峰,這是因為合成的粉末樣品吸潮所致.圖中1384 cm-1處左右出現(xiàn)的微弱的吸收峰,歸屬于痕量NO-3的N－O對稱伸縮振動吸收峰,由焙燒過程中吸附在樣品表面的硝酸鹽所引起,盡管FT-IR中出現(xiàn)了硝酸鹽的弱吸收信號,X射線粉末衍射中卻不敏感,這可能是由于樣品中硝酸鹽的含量低于XRD的檢出限.稀土雙鈣鈦礦型化合物L(fēng)a2CoAlO6和稀土單鈣鈦礦型化合物L(fēng)aCoO3、LaAlO3均在在600和400 cm-1附近出現(xiàn)了Co－O和Al－O鍵的紅外特征吸收峰,值得注意的是,稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6(1#樣品)在600 cm-1附近的吸收峰出現(xiàn)了劈裂,這是與單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3和LaAlO3的紅外吸收譜圖最為明顯的差別,也是雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6的FT-IR光譜的主要特征之一.

圖8 樣品的室溫磁滯回線Fig.8 Hysteresis loops of samples at room temperature(a)La2CoAlO6,(b)LaCoO3,(c)LaAlO3

3.6 催化劑的磁性測量結(jié)果及分析

圖8為三種鈣鈦礦型催化劑在室溫條件下的磁滯回線.通常,鐵磁性樣品的磁化強(qiáng)度(M)隨外磁場(H)的增加迅速增加,增加到一定程度,繼續(xù)增加外磁場H,磁化強(qiáng)度M也不再增加,變?yōu)楹懔?表明磁化已達(dá)飽和,稱之為飽和磁化強(qiáng)度.從圖中可以看出,兩種單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3和LaAlO3的磁滯回線符合上述規(guī)律,但形成的滯后環(huán)面積較小.而稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6的磁滯回線較為特殊,在磁化強(qiáng)度已趨于飽和時,隨著外磁場的增加磁化強(qiáng)度突然上升,達(dá)到一定值后又迅速下降,之后趨于平緩,在1.5 T時均達(dá)到了飽和,然后按照原趨勢返回,形成了在兩端帶有倒V(V)字型的的磁滯回線.經(jīng)過反復(fù)測試,其結(jié)果一致,說明這一特殊現(xiàn)象是由La2CoAlO6樣品本身特有的性質(zhì)所導(dǎo)致的,這反映了雙鈣鈦礦La2CoAlO6的特殊性,對于這一特殊性與催化活性的的關(guān)聯(lián)還有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

(1)采用溶膠-凝膠法,在空氣氣氛中,經(jīng)過1100°C焙燒3 h后,制備出了單相的新型稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6.其甲烷燃燒催化活性明顯高于單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3和LaAlO3.與單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3、LaAlO3相比,其起燃溫度T10分別降低了56.5和138.2°C,完全轉(zhuǎn)化溫度T90分別降低了84.6和108.9°C.

(2)稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6與稀土單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3程序升溫還原譜圖具有明顯的差別,稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6在350°C左右出現(xiàn)單一還原特征峰,而稀土單鈣鈦礦型催化劑LaCoO3分別在380.8和468.7°C出現(xiàn)了兩個還原峰,稀土雙鈣鈦礦型催化劑La2CoAlO6還原峰的出峰溫度較低,與具有較低的甲烷完全轉(zhuǎn)化溫度相對應(yīng).

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January 13,2011;Revised:March 3,2011;Published on Web:March 24,2011.

Preparation and Catalytic Activities of La2CoAlO6for Methane Combustion

ZHANG Hui-Min1HU Rui-Sheng1,*HU Jia-Nan1ZHANG Yu-Long2
(1Key Laboratory of Rare Earth Materials Chemistry and Physics,School of Chemistry and Chemical Engineering,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,P.R.China;2Western Research Institute,365 N 9St,Laramie,Wyoming,USA)

A novel rare earth double perovskite-type catalyst(La2CoAlO6)was prepared by the sol-gel method using citric acid as complex agent.The catalyst was characterized by X-ray powder diffraction (XRD),H2-temperature-programmed reduction(H2-TPR),specific surface area(BET),scanning electron microscopy(SEM),Fourier transform infrared(FT-IR)spectroscopy,and magnetic property measurement. This catalyst was evaluated for methane combustion.The results showed that a single-phase rare earth double perovskite oxide La2CoAlO6could be formed by calcination at 1100°C for 3 h.La2CoAlO6gives good catalytic activity for methane combustion.It has a light-off temperature(T10)of 434.1°C and a total conversion temperature(T90)of 657.4°C.Compared with the single rare earth perovskite-type oxides LaCoO3and LaAlO3,the T10decreased by 56.5 and 138.2°C,and T90decreased by 84.6 and 108.9°C, respectively.The FT-IR results indicate that all the synthesized oxides possess perovskite-type structures. Furthermore,the La2CoAlO6samples showed excellent catalytic activity for methane combustion,which could be related to the decrease in reduction temperature that was observed in the H2-TPR experiments. This was probably because of the increased oxygen mobility that was promoted by the presence of aluminum.In addition,the rare earth double perovskite-type oxide La2CoAlO6has a platelet morphology and is resistant to sintering.We also found that the double perovskite oxide La2CoAlO6had special magnetic properties.

Rare earth;Double perovskite;Single perovskite;Methane catalytic combustion; Sol-gel method

O643

*Corresponding author.Email:cehrs@imu.edu.cn;Tel:+86-471-4990061-80606.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20763003)and Chun Hui Plans of the Ministry of Education of China(Z2007-1-01029)and Natural Science Foundation of Inner Mongolia,China(2008 0404 MS 0123).

國家自然科學(xué)基金(20763003),教育部春暉計劃(Z2007-1-01029)及內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2008 0404 MS 0123)資助項目