稀土催化剂研究进展
稀土在催化材料中的应用现状及发展趋势
废FCC 催化剂中稀土的回收，REO = 3-
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1 稀土在石油化工催化材料方面的应用
在烯烃的氨氧化、低碳烷烃的芳构化、芳烃类化合物的异构化 等催化剂中也发挥了较大的作用。
例如，在甲烷氧化偶联制乙烯方面，现在也用上了稀土催化剂。 CH4+CO2（或其他氧化剂） C2H4+H2O
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3 稀土催化材料在高分子材料方面的应用
20世纪60年代，在高分子材料中掺杂稀土化合物出现的特殊功
效引起了科学界和工业界的高度关注。20世纪70年代日本学者发
现轻稀土化合物可作为PVC热稳定剂，有明显的稳定效果，并且无
毒无害、性价比高。法、俄等国在这方面也做了大量的研究。
稀土化合物在高分子材料合成、加工及功能化方面均具有独特而
3 在催化剂中应用的稀土元素主要是轻稀土：钪( Sc)、钇(Y )、 镧( La)、铈( C e)。
4 近年来因在军工、新能源、新材料等领域应用突出的中、重稀 土需求量的增加，导致Ce、La等高丰度轻稀土的大量积压，造 成了稀土利用的不平衡，La、Ce的价格一直很低。因此，大力 推进稀土催化新材料的研究和发展，对于实现我国稀土资源全 面、高效和平衡利用，推进新能源的利用和环境治理技术的进 步，具有重大的科学和社会意义，也能带来重大经济效益。
目前，主要应用在：挥发性有机废气治理、烟气脱硫、 燃烧过程脱氮、纳米稀土TiO2光催化、以及焦化污水催化 净化等方面。
2020/1/8
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2 稀土催化材料在环保方面的应用
稀土催化材料由于其独特的催化氧化性质，显示出越来越优越 的开发应用前景。其中稀土复合中孔催化材料具有大表面积、 合适孔径分布、结构稳定等特点，已经成为工业有机废气净化 中最有前景的催化材料之一。此外，通过纳米水平的设计，开 发出先进的稀土催化材料，可以在降低90%贵金属用量的情况 下仍能保证催化净化效率提高1倍。
稀土催化剂(Ce、La)用于丙烷催化燃烧的研究进展
第41卷第1期Vol.41㊀No.1重庆工商大学学报(自然科学版)J Chongqing Technol &Business Univ(Nat Sci Ed)2024年2月Feb.2024稀土催化剂(Ce ㊁La )用于丙烷催化燃烧的研究进展龚旭栋,王玮璐,吴㊀云,张贤明重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心,重庆400067摘㊀要:目的挥发性有机物(VOCs )对人体健康和生态环境都有不良影响,已引发研究者的广泛关注㊂催化燃烧是处理VOCs 的有效技术之一,具有去除效率高㊁无二次污染等优势㊂稀土元素Ce ㊁La 及其氧化物因特殊的理化性质常作为催化助剂或载体,在催化燃烧中起着重要作用㊂因此针对稀土催化剂(主要为Ce ㊁La ),综述了其在丙烷催化燃烧中的应用及相应的催化反应机制以及未来的发展方向㊂方法通过对Ce 基和La 基催化剂在丙烷催化燃烧中的研究和应用进行综述,分析了稀土催化剂的反应机理及发展方向㊂结果首先,Ce ㊁La 及其氧化物可调节催化剂的整体结构㊁形貌和比表面积等物理性质;同时,上述物质也可与催化剂内的其他金属相互作用,从而有效调控材料中的氧空位密度,最终增强对丙烷催化燃烧的反应活性㊂其次,CeO 2作为载体能与活性金属产生有赖于CeO 2形貌和晶面的金属-CeO 2相互作用,这会对催化剂的结构和性能产生极大影响㊂此外,也讨论了通过优化合成方法和表面改性所获得的La 系钙钛矿催化剂在丙烷催化燃烧中的应用研究㊂结论目前,稀土基催化剂的催化作用机制探索尚处于初级阶段,应对其进行更深入系统的研究,以早日实现其工业化应用㊂关键词:多相催化;催化燃烧;丙烷;稀土元素中图分类号:X511,X -1㊀㊀文献标识码:A ㊀㊀doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2024.0001.002㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-03-05㊀修回日期:2022-05-18㊀文章编号:1672-058X(2024)01-0012-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(51678095);重庆市科委面上项目(CSTC2021JCYJ -MSXMX0628).作者简介:龚旭栋(1997 ),女,重庆市人,硕士研究生,从事环境热催化研究㊂通讯作者:王玮璐(1989 ),女,河南新乡人,助理研究员,博士,从事多相催化研究.Email:weiluwang@.引用格式:龚旭栋,王玮璐,吴云,等.稀土催化剂(Ce㊁La)用于丙烷催化燃烧的研究进展[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2024,41(1):12 20.GONG Xudong WANG Weilu WU Yun et al.Advances in rare earth element-based catalysts Ce La for propane catalyticcombustion J .Journal of Chongqing Technology and Business University Natural Science Edition 2024 41 1 12 20.Advances in Rare Earth Element-based Catalysts Ce La for Propane Catalytic Combustion GONG Xudong WANG Weilu WU Yun ZHANG XianmingEngineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment Ministry of Education Chongqing Technology and Business University Chongqing 400067 ChinaAbstract Objective Volatile organic compounds VOCs have adverse effects on both human health and the ecological environment thus attracting widespread attention from researchers.Catalytic combustion is one of the effective technologies for treating VOCs with the advantages of high removal efficiency and no secondary pollution.Rare earth elements such as Ce and La and their oxides often play an important role in catalytic combustion due to their special physicochemical properties as catalytic additives or carriers.Therefore for rare earth catalysts mainly Ce and La their applications in the propane catalytic combustion and the corresponding catalytic reaction mechanisms as well as future development directions were reviewed.Methods Through a review of the research and applications of Ce-based and La-based catalysts in the propane catalytic combustion the reaction mechanisms and development directions of rare earth catalysts were analyzed.Results Firstly Ce La and their oxides modulated the physical properties of the catalyst such as the overall structure morphology and specific surface area.Meanwhile these substances also interacted with other metals within the catalyst to effectively modulate the oxygen vacancy density in the material ultimately enhancing the reactivity for the propane catalytic combustion.Secondly when CeO 2acted as a carrier it was capable of producing metal-第1期龚旭栋,等:稀土催化剂(Ce㊁La)用于丙烷催化燃烧的研究进展CeO2interactions with the active metal dependent on the CeO2morphology and crystallographic surface which can have a great impact on the structure and performance of the catalyst.Studies on the application of La-based chalcogenide catalysts obtained by optimizing synthesis methods and surface modification in the propane catalytic combustion were also discussed. Conclusion At present the exploration of the catalytic mechanism of rare earth-based catalysts is still in its initial stage and in-depth and systematic research should be conducted to realize its industrial application as early as possible. Keywords heterogeneous catalysis catalytic combustion propane rare-earth elements1㊀引㊀言挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)是引发光化学烟雾及雾霾等大气环境问题的主要前体物,对人体具有极强的致癌和致畸性,是大气治理的重点研究对象[1-4]㊂其中,丙烷因结构稳定而难以被去除,常作为VOCs中烷烃组分的代表而被研究[5-6]㊂目前,催化燃烧是较常用的处理技术,与传统的物理吸附和热焚烧技术相比具有能耗低㊁去除效率高以及无二次污染等优势[7-9]㊂在该途径中,催化剂的性能决定丙烷的去除效率和技术能耗[10],因此这也成为研究者所关注的重点㊂当前用于催化燃烧的催化剂主要为贵金属基和非贵金属基两大类㊂其中,贵金属基催化剂(Pt㊁Pd㊁Rh)虽在低温下(T100<300ħ)对丙烷的去除效果良好,但高额的成本及易中毒失活也极大限制了其工业化进程[11-13];非贵金属基催化剂,如Co㊁Mn等元素虽能在丙烷的催化燃烧中提供良好的抗毒化能力,但其活性(T100>300ħ)却远低于贵金属类材料[14-15]㊂因此,定向设计及构筑对丙烷去除率高㊁抗毒性强且绿色经济的新型催化剂将成为该领域研究工作的核心㊂众所周知,我国稀土资源丰富,年产量占世界的95%以上[16],被广泛应用于发光㊁储氢和超导等领域㊂此外,稀土元素(Rare Earth Element,REE)由于特殊的结构性质,也被开发用于多相催化领域[17-18]㊂具体来说,REE原子中存在未被电子完全占据的4f轨道,导致该轨道中的电子容易发生离域㊁迁移,因此REE可有效改善材料的整体电子结构和载流子传输情况㊂此外, REE作催化助剂时,可有效调控材料的化学组成㊁孔结构及活性位点的分散状态等,显著提高催化剂的活性和稳定性[19-20]㊂因此,将REE引入催化剂中可有效改善材料的物理化学性质,增强其催化燃烧活性,所以合理制备催化效率高且绿色经济的稀土基催化剂也是未来研究者们需攻克的重点和难点㊂本文综述了近几年丙烷催化燃烧的研究,发现Ce㊁La及其氧化物作为催化剂中的促进或改性组分,可有效调控材料的形貌结构㊁化学组成及活性位点的分散状态等物理化学性质;同时可与其他金属产生相互作用,调控材料中的氧空位密度,显著提高催化剂的活性和稳定性㊂除作为催化剂助剂以外,Ce的氧化物(CeO2)在丙烷催化燃烧中也有较多应用㊂CeO2载体可与活性金属产生较强的电子效应,有效分散和稳定活性金属,提高催化活性㊂同时,在研究中发现催化丙烷燃烧的结果会受到CeO2不同形貌和晶面的影响㊂此外,La系钙钛矿具有良好的热稳定性和氧化还原性,但其较高的成相温度所致的低比表面积和相应的低活性限制了其应用㊂通过改进La系钙钛矿的合成方法,可以使其具有较高比表面积及催化活性㊂最后,以Ce 基催化剂,La基催化剂在催化燃烧中的研究现状及作用机理为理论基础,提出了稀土催化剂存在的问题和未来发展方向㊂2㊀Ce基催化剂2.1㊀Ce及其氧化物作助催化剂Ce属于镧系元素,由于具有未被电子完全占据的4f轨道而具有独特的催化性能㊂将Ce及其氧化物作为结构助剂引入催化剂可有效调节材料的形貌和分散性㊂例如,胡等[21]在MnO x中引入Ce元素,催化剂整体形貌会从大小不均一的团聚体逐渐转变为尺寸均一且分散良好的球形颗粒,同时其比表面积也会从8m2㊃g-1显著提高至102m2㊃g-1㊂同样地,Wang等[22]将CeO2引入MnO x/Nb2O5-x中,发现CeO2的存在可有效降低催化剂的尺寸,提升MnO x的分散性㊂与此同时,研究者们还发现Ce元素可与活性金属产生良好的相互作用,调节催化剂表面的氧空位密度㊂因此将Ce及其氧化物引入催化剂中能显著提高单元素氧化物(Co3O4[23])㊁混合或复合氧化物(CoCeO x[24]㊁Fe2O3-CuO[25]等)材料中氧活性物种丰度,最终提升催化活性㊂与单一的CeO2㊁Co3O4催化剂相比,Zhu等[23]发现Co3O4-CeO2二元氧化物对丙烷的完全催化氧化表现出更高的活性㊂这是因为Co3O4和CeO2之间的相互作用导致Co3+被部分还原成Co2+或金属Co,而这些被还原的Co或Co2+会与周围的CeO2氧物种结合,发生如下反应:Co3O4ңCo2+/Co3++[O]ңCo0+[O]; Co0(Co2+)+CeO2ңCo2+/Co3+(Co3+)+CeO2-x+[O],从而在Co3O4-CeO2界面附近产生大量氧空位㊂氧气在这些氧空位上被吸附形成活性氧物种,从而提高催化剂在丙烷催化燃烧中的活性㊂然而Ce及其氧化物31重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷的添加量存在最优配比,添加过多会覆盖部分活性位点,添加过少则不能达到最佳协同效应[25]㊂这在Li 等[24]采用双模板结合溶胶-凝胶法制备的一系列不同Co /Ce 摩尔比(1ʒ4㊁1ʒ1㊁4ʒ1)的微介孔CoCeO x 催化剂用于丙烷催化燃烧的研究中得到印证㊂研究表明,催化剂中Co /Ce 摩尔比为1(Co 1Ce 1)时,具有较好的裂解丙烷C -H 键生成CO 2的能力(图1),在238ħ时转化率达到90%㊂在该比例下材料中催化剂存在Co x Ce 1-x O 2-σ固溶体及大量氧空位,使得Co 1Ce 1还原性大幅提高,表面活性氧物种数量也显著增加㊂但Co /Ce 的摩尔比过大及过小均会导致上述活性位点和比表面积的减少,导致催化剂活性降低㊂S t a g e 4S t a g e 1S t a g e 2S t a g e 3C o C e O xP r o p a n eO x y g e n v a c a n c y S u r f a c e a c t i v e o x y g e n O x y g e nC e 3+C o 3+C e 3+C e 3+C o 2+C e 4+C e 4+C o 2+C e 3+C e 3+C o 3+C e3+图1㊀CoCeO x 催化剂表面反应机理[24]Fig.1㊀The surface reaction mechanism of CoCeO x catalyst[24]此外,Ce 还可与活性金属产生相互作用,有效改善催化剂的稳定性和活性[26]㊂Tang 等[27]采用低温水热工艺使NiO 纳米片阵列均匀生长在堇青石蜂窝状孔道的表面,形成整体式催化剂㊂对于纯NiO 纳米片催化剂,其T90为481ħ,并且在1h 运行后丙烷的转化率由79.9%下降到58.4%,在48小时后下降到21.5%,稳定性较差㊂将Ce 引入到NiO 后,催化剂的低温还原性和活性在Ce 和Ni 的相互作用下得到显著改善,其T90降低至440ħ,且丙烷转化率在48h 后仅降低了1.1%㊂因此Ce 掺杂不仅能有效改善催化剂活性,还能显著提高催化剂的稳定性(图2)㊂100806040200200250300350400450500丙烷转化率/%温度/℃N i O0.2C e 5N i O(a )NiO 和0.2Ce -NiO 纳米阵列丙烷催化燃烧活性测试10080604020001020304050丙烷转化率/%时间/h92.0%79.9%90.9%58.4%N i O0.2C e 5N i O(b )在425ħ时NiO 和0.2Ce -NiO 催化剂稳定性测试图2㊀原始NiO 和0.2Ce -NiO 纳米阵列催化剂性能评价,丙烷浓度=3000ppm ,SV =24,000h -1[27]Fig.2㊀Performance evaluation of pristine NiO and 0.2Ce -NiOnanoarray monolithic catalysts ,C 3H 8concentration =3000ppm ,and SV =24000h -1[27]在其他VOCs 催化燃烧中,Ce 也显示出良好的促进作用㊂Piumetti 等[28]采用溶液燃烧合成技术(Solution Combustion Synthesis,SCS)合成了一系列不同Ce /Cu 摩尔比的铈铜氧化物催化剂,将其用于催化乙烯总氧化反应㊂发现CuO x 与CeO 2相互作用的小团簇很容易被还原,促进了Cu +物种和结构缺陷(氧空位)的形成,导致更高的催化氧化活性㊂Mo 等[29]发现Ce 能与MnAl 复合氧化物中的Mn 通过Ce 4+-Mn 3+↔Ce 3+-Mn 4+反应产生协同作用,提高晶格氧的迁移率和有效性,在210ħ时苯的转化率可达到90%㊂简而言之,Ce 及其氧化物作为结构助剂可有效调节催化剂的整体结构和形貌㊁增加其比表面积并改善活性金属的分散性,从而提升材料的催化性能㊂同时,Ce 元素由于具有电子未完全占据的4f 轨道,可与其他金属发生相互作用,有效调控材料中的氧空位密度,提高催化剂表面的活性氧物种,进而增强丙烷催化燃烧反应活性㊂此外,Ce 及其氧化物也可优化催化剂的低温可还原性和稳定性㊂然而,许多研究表明在不同Ce 添加量的情况下,催化剂活性会有所差异,因此,稀土催化剂中Ce 及其氧化物的添加比例值得进一步研究㊂2.2㊀CeO 2作载体Ce 元素具有特殊的电子结构和结构弛豫,能够加强活性金属(Ru㊁Pd㊁Ni)与其氧化物CeO 2表面间的电子电荷转移,从而更好地稳定活性金属位点,提升催化剂的活性和稳定性[30-32]㊂41第1期龚旭栋,等:稀土催化剂(Ce㊁La)用于丙烷催化燃烧的研究进展由于常见的Al2O3及SiO2等载体材料的化学惰性较强,与活性金属相互作用较差,因此以这些氧化物作载体的催化剂在VOCs氧化中的催化活性仍存在较大提升空间㊂一般来说,金属与载体的相互作用是影响催化剂性能的重要因素之一,它通常决定了活性金属的氧化状态和氧化还原反应的路径[33-35]㊂CeO2中存在Ce4+/Ce3+氧化还原循环对(图3),可与活性金属进行电子转移并产生良好的相互作用,这能极大改善催化剂的结构和催化性能㊂同时,在氧化过程中,CeO2还能为氧化还原反应提供丰富的活性氧物种,提升丙烷催化燃烧的去除效率㊂C e O2u n i t c e l l P o i n t d e f e c t s i t e sO2-C e4+C e3+/D o3+VOC e3+/D o3+i n c u b i c(Oh)s i t eVOi n t e t r a h e d r a l(Td)s i t e(a)CeO2晶胞㊀㊀(b)CeO2晶胞中Ce3+/Do3+位点(c)CeO2晶胞中的氧空位Vo图3㊀氧化铈及其与其他金属元素形成的氧化物固溶体的晶体结构和缺陷示意图[32]㊂(Do3+代表外来离子;(a)和(b)右侧的4个半透明氧原子属于下一个单胞) Fig.3㊀Schematic diagram of the crystal structure and defects of cerium oxide and its oxide solid solutions formed with other metallic elements[32](Do3+represents foreign ions;the4semi-transparent oxygen atoms on the right in(a)and(b)belong to the next unit cell)Wu等[35]使用无氯前驱体合成的Ru/CeNs催化剂,发现由于Ru与Ce之间存在的强相互作用,使其表面形成了均匀且高密度的Ru-O-Ce界面㊂此界面是丙烷吸附和解离的首选活性位点,其存在可显著提高催化剂对丙烷的催化燃烧活性㊂Hu等[30]将1.5~ 3.2%(wt)的Ru纳米颗粒(~3nm)负载于CeO2和Al2O3基底上(Ru/CeO2㊁Ru/Al2O3)㊂在不同载体性质的影响下,丙烷催化燃烧展示出不同的反应路径(图4)㊂在Ru/Al2O3催化剂上,丙烷只能吸附在Ru 纳米颗粒上形成异丙基,再转化为丙酮基,随后分解成甲酸或乙酸,最终生成CO2和H2O㊂而对于Ru/CeO2催化剂,除上述路径外,丙烷也可以作为含有丙烯酸基团的物种在Ru-CeO2界面上吸附并被部分氧化㊂归因于CeO2载体作为氧气储层,在反应过程中为丙烷吸附提供额外的位点,即Ru-CeO2界面㊂同时,具有高储氧能力的CeO2还为催化剂提供了丰富的活性氧物种,从而氧化反应速率得到提升(T90=180ħ)㊂R u H O A l C C e(a)Ru/Al2O3催化剂上的丙烷氧化反应路径(b)Ru/CeO2催化剂上的附加反应路径图4㊀催化剂表面丙烷氧化反应路径示意图[30] Fig.4㊀Schematic diagram of propane oxidation reaction path on the surface of two catalysts[30]此外,研究者观察到强烈依赖于CeO2形貌的金属-CeO2相互作用对CeO2负载催化剂结构和催化性能的强烈影响㊂Zhang等[32]发现负载于CeO2纳米立方体(c-CeO2)㊁纳米颗粒(p-CeO2)㊁纳米棒(r-CeO2)上Ni的理化状态有明显差异㊂由于CeO2与Ni的相互作用不同,负载于r-CeO2表面的NiO呈分散状态;在p-CeO2中NiO则会聚集成团;负载于c-CeO2催化剂表面上的Ce与Ni间的相互作用最强,则形成Ni-O-Ce 结构,此结构可削弱CeO2中相邻的Ce-O键并激活其晶格氧,进而提升催化剂活性㊂这也在C3H8催化燃烧反应活性对比实验中得到证实,相比于r-CeO2催化剂,负载Ni后的催化剂活性大约提升了27%㊂由于不同的CeO2形貌其主要暴露晶面有所差异,因此也有研究表明不同晶面会对催化性能产生明显影响㊂Hu 等[31]合成了棒状(r)㊁立方体(c)以及八面体(o)的CeO2纳米晶体,其中r-CeO2暴露(110)和(100)晶面㊁c-CeO2暴露(100)晶面㊁o-CeO2暴露(111)晶面(图5)㊂进一步将Pd负载于CeO2表面时,发现在o-CeO2的(111)面上存在较强的表面Ce-O键,有利于C3H8催化燃烧活性位点PdO x纳米颗粒的存在㊂因此Pd/o-CeO2催化剂在300ħ时的TOF(3.52ˑ10-2/s)远高于Pd/c-CeO2(2.59ˑ10-3/s)和Pd/r-CeO2(6.97ˑ10-4/s)催化剂㊂此外,研究者们发现CeO2形貌差异也会影响催化剂在苯系物和有机氯化物等其他VOCs中的催化性能㊂Feng等[36]发现空心球状的CeO2暴露的(111)面最易形成氧空位,导致其表面氧活性更高,氧化还原性能更好㊂因此,在207ħ时甲苯转化率可达90%㊂Wang 等[37]采用直接煅烧Ce(NO3)3㊃6H2O的方法合成CeO2(CeO2-DC),并在其上负载Pd得到Pd/CeO2-DC 催化剂㊂CeO2-DC暴露的(200)晶面与PdO x产生的相互作用,提高了催化剂表面Ce3+和Pd2+的丰度,这极大地提升了催化剂的氧化还原性能和催化活性,因此51重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷在260ħ时可实现苯的完全燃烧㊂Zhang 等[38]发现三维有序(3DOM)CeO 2负载的Au -Pd 合金纳米粒子催化剂可在450ħ实现三氯乙烯的完全转化㊂3DOM 结构有利于活性组分的分散,也利于增强反应物分子的吸附和传质,其较高的比表面积使反应物更容易接近表面活性位点㊂此外,3DOM 的CeO 2与Au -Pd 合金之间的强相互作用可提高表面活性氧的迁移率,从而进一步提升催化剂活性㊂abcefd100n m 5n m 5n m 5n m50n m 200n m图5㊀(a ,b )CeO 2-R ㊁(c ,d )CeO 2-C 和(e ,f )CeO 2-O 的TEM ㊁HRTEM 和SEM 图像[31]Fig.5㊀TEM ,HRTEM and SEM images of (a ,b )CeO 2-R ,(c ,d )CeO 2-C ,and (e ,f )CeO 2-O[31]CeO 2具有Ce 4+/Ce 3+氧化还原循环对,作为载体可与活性金属产生较强的电子效应,提高活性位点的分散度和催化活性㊂同时,CeO 2还能为氧化还原反应提供丰富的活性氧物种,从而提高丙烷催化燃烧的转化率㊂此外,可设计合成形貌和暴露晶面不同CeO 2,使其发挥最佳的催化性能,这展示了CeO 2在催化燃烧中具有的良好应用前景㊂3㊀La 基催化剂3.1㊀La 作助催化剂除用于丙烷催化燃烧的稀土催化剂除Ce 基催化剂外,其同系元素La 也常作为催化剂中的促进或改性组分,用于调节催化剂的形貌结构,并通过与其他金属相互作用促进反应物在催化剂表面的吸附和活化以提升催化效率㊂Xie 等[39]发现在催化剂中引入La 可以显著减小Pd 的粒径㊂与Pd /Na -ZSM -5催化剂上的Pd 纳米颗粒(4~6nm)相比,La 改性的Pd /Na -ZSM -5具有更小的Pd 粒径(1~3nm)㊂Xie 等[40]使用共沉淀法合成了La 改性的LaC -MnO x 催化剂(C 表示La /Mn摩尔比)㊂发现La 可促进C 3H 8在催化剂表面的吸附,在很大程度上加速了C 3H 8催化燃烧反应速率㊂且La 的存在可以抑制Mn 4+向Mn 3+的转化,使La -MnO x 催化剂上Mn 4+和表面氧的含量增加,促使更多高迁移率的表面氧在La -MnO x 催化剂上参与C 3H 8的深度氧化㊂在氧空位产生后,La -MnO x 催化剂中较高活性和迁移率的晶格氧在气态氧不足时补充了这些空位,而使催化剂具有较好的催化活性(图6)㊂因此,在MnO x 催化剂中加入La 可加速氧化-还原循环,增强催化剂活性㊂C 3H 8O sO sO sO s O 2C a t a l .C a t a l .c a r b o n a t e sP a r t i a l o x i d a t i o n D e e p o x i d a t i o nC a t a l .O l a t t .HC H 3C H 3C H C O 2+O 2图6㊀C 3H 8在La -MnO x 催化剂上的催化氧化反应机理[40]Fig.6㊀The mechanism of catalytic oxidation reaction of C 3H 8over La -MnO x catalyst [40]此外,La 3+与过渡金属离子的大尺寸失配可能导致强晶格应变,诱导催化剂氧空位的形成,从而增加活性氧物种的数量并改善催化性能㊂如Yao 等[41]通过水热法合成的La 掺杂Co 3O 4催化剂在C 3H 8催化燃烧表现出较高活性㊂La 的引入导致Co 3O 4产生晶格畸变而形成氧空位,促进了气相氧的吸附和活化,进而产生表面活性氧物种,使得催化活性显著提升㊂La 在氯化物和甲烷的催化燃烧中也发挥着重要作用㊂Dai 等[42]发现引入La 后的MnCe 催化剂在氯苯催化燃烧中表现出高活性㊂原因在于La 的引入增强了MnCeO x 固溶体的热稳定性,并且改善了活性Mn 物种的分散性㊂Li 等[43]合成了掺La 的花状介孔氧化铈微球,用于甲烷催化燃烧具有良好的活性㊂归因于La 3+取代Ce 4+而产生的更多氧空位和催化剂的氧迁移率的提升㊂3.2㊀La 系钙钛矿(ABO 3(A =La ))La 系钙钛矿的化学计量比为LaBO 3,其中A 是La 3+阳离子,B 一般是第三周期的过渡金属㊂La 在该化合物中起结构稳定剂的作用,同时可通过改变B 位元61第1期龚旭栋,等:稀土催化剂(Ce ㊁La )用于丙烷催化燃烧的研究进展素形成不同种类的La 系钙钛矿,其催化性能可通过掺杂㊁离子取代等方法进行调控[44-45](图7)㊂此外,La 系钙钛矿具有价格低廉㊁氧化还原性能好㊁氧迁移率高㊁热稳定性优异等特点[46-47],是一种常用的多相催化材料㊂在自然界中La 的丰度高,可利用性强,因此La 系钙钛矿在实际应用中很有前景,已被成功应用于甲苯完全氧化[48]㊁CO 氧化[49]㊁甲烷完全氧化[50]等反应㊂A s i t eB s i t e O x y g e nAA ’BOO x y g e n v a c a n c y(a )理想ABO 3钙钛矿晶胞㊀㊀㊀(b )A 位掺杂具有氧空位的㊀㊀ABO 3钙钛矿图7㊀ABO 3钙钛矿晶胞[49]Fig.7㊀ABO 3perovskite cells [49]由于钙钛矿的成相温度较高,导致其比表面积和催化活性都相对较低[51]㊂针对其催化活性问题,如何调整合成方法和表面化学组成是解决上述问题的关键㊂溶胶凝胶法的反应条件温和且易于控制,已有研究者成功将其用于钙钛矿的合成㊂如Lin 等[52]通过溶胶-凝胶法合成了LaCoO 3钙钛矿纯相,发现使用生物质络合剂(竹粉)代替传统有机络合剂可以得到平均粒径更小㊁比表面积更大的钙钛矿催化剂㊂同时,生物质中有机碳的络合能力和生物还原能力可以有效缓解Co 2+还原为Co 3+,从而提升催化剂表面的Co 2+浓度㊂Co价态的变化会导致晶格畸变并改变Co -O 共价成分,从而增加氧空位的丰度并提升氧的迁移率㊂材料中较高的比表面积和氧空位丰度也可提供更多的酸性位点,有利于催化剂对C 3H 8的吸附和C -H 键的激活,导致催化活性提升㊂除了溶胶-凝胶法,溶剂法也是钙钛矿的有效合成方法之一㊂在溶剂热合成中,溶剂作为反应介质发挥着重要作用㊂首先,它可以控制溶液中化学物质的浓度,从而影响反应动力学;其次,它还能够改变溶解物种的配位,影响成核和晶体生长步骤,诱导特定结构的形成[53]㊂因此可通过选择合适的溶剂合成具有良好性能的La 系钙钛矿,如Miniajluk 等[54]分别以1,2-乙二醇(EG)㊁1,2-丙二醇(PG)和1,4-丁二醇(BG)为溶剂成功制备了LaMnO 3钙钛矿(LM 材料)㊂结果表明,使用EG 制备的LM -EG 具有较高的表面活性氧物种数量㊁良好低温还原性以及较大的表面积和孔体积,在300ħ左右对丙烷去除率与1%Pt /Al 2O 3相当,但其本征活性却是后者的近六倍(表1)㊂表1㊀LM 材料在丙烷氧化中的催化性能[54]Table 1㊀Catalytic performances in propane oxidation ofLM materials [54]SampleT 10/ħT 50/ħT 95/ħa Ea /(kJ /mol )LM -EG 23127532588.7LM -BG 30235845089.9LM -PG38543749284.91%Pt /Al 2O 3b21726030785.9㊀a分别对应于10%㊁50%和95%转化率的温度,b 参考催化剂(铂分散度:63%;S BET =168m 2㊃g -1)㊂此外,La 系钙钛矿具有良好的氧化还原性㊁高氧迁移率以及优异的热稳定性,是作为催化剂载体的良好材料㊂Luo 等[55]通过使用高表面积(31m 2/g)的电纺LaCoO 3纳米棒负载Pt,然后分别在He㊁O 2和H 2氛围中连续热退火得到了具有高Pt 分散性的0.29%(wt)Pt /LaCoO 3纳米棒催化剂㊂Pt 与LaCoO 3载体之间的相互作用有利于Co 2+物种㊁Co 3+/Co 2+氧化还原循环对和更多氧空位的形成,可有效改善材料的氧迁移率,最终提升丙烷催化燃烧活性(图8)㊂O x y g e n v a c a n c yP tC o 3+C o 2+O 2O 2O 2O 2O 2O 2O 2O 2C 3H 8C 3H 8C 3H 8C 3H 8C 3H 8C 3H 8L a C o O 3P t /L a C o O 3 H e +O 2+H 2C O 2+H 2O 图8㊀LaCoO 3和Pt /LaCoO 3-He +O 2+H 2催化剂上丙烷催化氧化机理[55]Fig.8㊀The mechanism of catalytic oxidation of propaneover LaCoO 3and Pt /LaCoO 3-He +O 2+H 2catalysts [55]在脂肪烃及苯系物的催化燃烧中,La 系钙钛矿也有较多应用㊂Wang 等[56]通过乙酸(HAc)选择性蚀刻LaCoO 3-La 2O 3复合材料上的La 2O 3颗粒,获得了多孔LaCoO 3钙钛矿催化剂㊂经HAc 刻蚀的LaCoO 3产生了表面La 缺陷和丰富的氧空位,而且催化剂的孔隙率和氧化还原性能均得到改善㊂因此,多孔LaCoO 3可以有效地接触和激活反应物,在220ħ实现乙酸乙酯的完全催化燃烧㊂Yarbay 等[57]采用柠檬酸盐技术制备了LaMnO 3钙钛矿型催化剂,发现LaMnO 3中存在单斜相LaMn 2O 5,两者产生协同作用,可促进活性晶格氧的形成和还原性的提升,导致甲苯催化燃烧反应活性的提高㊂Luo 等[58]采用SBA -15辅助静电纺丝合成了高表面积菱面体LaCoO 3钙钛矿催化剂,并将其用于苯的催71重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷化燃烧㊂静电纺丝技术有利于LaCoO3表面Co元素的暴露,导致氧空位和Co2+活性位点数量增加,从而提升催化剂的氧迁移率和活性,因此在330ħ时苯的转化率可达90%㊂总之,La系钙钛矿的催化性能受到制备方法的影响较大,如高温制备的钙钛矿结构催化剂具有较低的表面积和反应活性,而其他合成方法如溶胶凝胶法和溶剂热合成法制备的材料则能够有效改善催化剂的比表面积和粒径等,使其催化燃烧活性更佳㊂因此,通过调整材料合成方法和合成条件以获得性能优良的钙钛矿催化剂将是研究者们未来亟需探索的方向㊂4 结束语本研究简要综述了近年来应用于丙烷催化燃烧的稀土催化剂,主要为Ce和La元素参与形成的稀土类催化材料㊂Ce及其氧化物作为助剂能够调节催化剂的结构和形貌等物理性质,并通过与活性金属进行电子传递(Ce4++M n+ңCe3++M(n-1)+)而产生强烈的相互作用形成氧空位,进而增强丙烷催化燃烧反应活性㊂此外,CeO2载体能够与活性金属产生良好的相互作用,从而改善催化剂的结构和催化性能㊂同时,研究发现催化燃烧受到CeO2不同形貌和晶面的影响㊂因此,可基于对形貌和晶面调整,使得CeO2能在丙烷催化燃烧中发挥最佳效果㊂La及其氧化物作为催化助剂能有效调节催化剂的形貌结构,诱导其产生氧空位,从而有效改善材料的催化活性㊂而以La为A位制备的钙钛矿氧化物可通过表面改性和优化合成方法来改变其比表面积和粒径等以提升催化性能㊂但稀土元素在丙烷催化燃烧的应用仍存在诸多不足:(1)稀土催化剂作为助催化剂和载体都有较优异的丙烷催化燃烧性能㊂但稀土元素与其他元素间的相互作用及其对催化剂整体的结构和性能的影响机理较为复杂,因此深入系统地研究稀土元素与其他元素的相互作用机理是重要的研究方向㊂(2)稀土元素在催化中发挥了重要作用,能显著优化催化剂结构与性能,但其应用仅限于实验室阶段㊂因此,设计开发兼具多样性和普适性的稀土催化剂,将其推广至其他工业催化反应中是进一步的研究方向㊂虽然诸多研究表明稀土元素在丙烷催化燃烧中起到了积极的作用,但其与催化剂整体性能的构效关系尚有进一步探索的空间,如何设计合成活性优良且兼具稳定性的催化剂仍是未来研究者要面临的一大挑战㊂参考文献References1 ㊀HE C CHENG J ZHANG X et al.Recent advances in thecatalytic oxidation of volatile organic compounds A review based on pollutant sorts and sources J .Chemical Reviews 2019 119 7 4471 4568.2 ㊀LEWIS A.The changing face of urban air pollution J .Science 2018 359 6377 744 745.3 ㊀JIAN Y TIAN M HE C et al.Efficient propane low-temperature destruction by Co3O4crystal facets engineeringUnveiling the decisive role of lattice and oxygen defects and surface acid-base pairs J .Applied Catalysis BEnvironmental 2021 283 1 10.4 ㊀ZHANG S YOU J KENNES C et al.Current advances ofVOCs degradation by bioelectrochemical systems A review J .Chemical Engineering Journal 2018 334 2625 2637.5 ㊀ZHAO S HU F LI J.Hierarchical core-shell Al2O3@Pd-CoAlO microspheres for low-temperature toluene combustion J .ACS Catalysis 2016 6 6 3433 3441.6 ㊀LIU Y LI X LIAO W et al.Highly active Pt/BN catalystsfor propane combustion The roles of support and reactant-induced evolution of active sites J .ACS Catalysis 2019 92 1472 1481.7 ㊀ZHOU L ZHANG B LI Z et al.Amorphous-microcrystalcombined manganese oxides for efficiently catalytic combustion of VOCs J .Molecular Catalysis 2020 489 1 10.8 ㊀HU J LI W LIU R.Highly efficient copper-dopedmanganese oxide nanorod catalysts derived from CuMnO hierarchical nanowire for catalytic combustion of VOCs J .Catalysis Today 2018 314 147 153.9 ㊀ZHAO P CHEN J YU H et al.Insights into propanecombustion over MoO3promoted Pt/ZrO2catalysts The generation of Pt-MoO3interface and its promotional role on catalytic activity J .Journal of Catalysis 2020 391 80 90.10 DONG F HAN W GUO Y et al.CeCoOx-MNS catalystderived from three-dimensional mesh nanosheet Co-based metal-organic frameworks for highly efficient catalytic combustion of VOCs J .Chemical Engineering Journal 2021405 1 10.11 LI X LIU Y LIAO W et al.Synergistic roles of Pt0and Pt2+species in propane combustion over high-performance Pt/AlF3 catalysts J .Applied Surface Science 2019 475 524 531.12 DONG T LIU W MA M et al.Hierarchical zeoliteenveloping Pd-CeO2nanowires An efficient adsorption/ catalysis bifunctional catalyst for low temperature propane total degradation J .Chemical Engineering Journal 20203931 10.13 WU J CHEN B YAN J et al.Ultra-active Ru supported on81。
稀土催化燃烧技术的研究与应用
稀土催化燃烧技术的研究与应用一、稀土元素简介稀土元素是指元素周期表中第57至71号元素的总称，也称为镧系元素。
稀土元素具有独特的物理和化学性质，广泛应用于不同领域。
二、稀土元素在燃烧催化技术中的应用1. 催化剂稀土元素可以作为燃烧催化剂的主要成分。
由于其具有高反应活性和选择性、良好的热稳定性和抗腐蚀性等特点，稀土催化剂被广泛应用于环境保护、清洁能源等领域。
2. 提高燃烧效率稀土元素还可以作为燃料添加剂，在燃烧过程中提高燃烧效率，减少尾气排放。
稀土元素添加剂可以减少燃料的自由基反应和三次化学反应，提高燃烧的温度和速率，从而减少燃料的消耗和污染物的排放。
3. 清除尾气中的有害物质稀土元素也可以作为尾气处理剂，清除尾气中的有害物质。
稀土元素可以通过其特殊的化学性质来吸附和分解尾气中的污染物，从而达到清洁尾气的目的。
三、稀土催化燃烧技术的研究1. 稀土催化剂的合成稀土催化剂的合成是稀土催化燃烧技术研究的一大重点。
目前，常用的稀土催化剂合成方法包括共沉淀法、溶胶-凝胶法、微波法等。
2. 稀土催化燃烧机理的研究稀土催化燃烧技术的研究还涉及到其机理的研究。
通过对稀土催化燃烧过程中的化学反应和热力学过程的分析和研究，可以进一步深入了解催化剂的功效和机制，从而引导催化剂的研究和应用。
3. 稀土催化剂的性能测试和评估稀土催化剂的性能测试和评估也是稀土催化燃烧技术的研究焦点之一。
对于稀土催化剂的活性、选择性、热稳定性和抗腐蚀性等方面进行测试和评估，从而提高催化剂的性能和应用效果。
四、稀土催化燃烧技术在环保、清洁能源等领域中的应用1. 环保领域稀土催化燃烧技术在环保领域中应用广泛，它可以减少尾气中的污染物排放，如CO、NOx和PM等。
在市政府管理、污水处理、垃圾处理和污染源控制等领域中，稀土催化燃烧技术都有着广泛的应用。
2. 清洁能源领域稀土催化燃烧技术在清洁能源领域中也有着广泛的应用。
通过稀土元素添加剂来提高燃料的热值和燃烧效率，从而减少燃料的消耗和污染物的排放。
稀土材料在光催化领域的应用及研究
稀土材料在光催化领域的应用及研究引言光催化是一种通过光能将化学反应进行加速的技术。
在过去的几十年中，随着环境污染和能源危机的日益严重，人们对光催化领域的研究和应用越来越感兴趣。
稀土材料由于其独特的光学和电学性质，在光催化领域中扮演着重要角色。
本文将介绍稀土材料在光催化领域的应用及相关研究进展。
稀土材料的特性稀土元素是指周期表中的15个元素，包括镧系和钇系元素。
由于其特殊的电子结构和能带特性，稀土材料具有一系列独特的光学和电学性质。
它们在光催化领域的应用主要基于以下几个方面的特性：1.宽带隙特性：稀土材料通常具有较宽的带隙，使其能吸收可见光和紫外光，并转化为电子和空穴对。
2.发光性能：稀土材料在外界刺激下能发出较窄的带宽光，这对于一些特殊的光催化反应是非常重要的。
3.可调控性：稀土材料的光催化性能可以通过调节材料的成分、晶体结构和掺杂级别来实现。
稀土材料的应用1. 稀土光催化剂稀土材料可以作为光催化反应中的催化剂，在可见光和紫外光的激发下，产生活性物种并促进光催化反应的进行。
例如，钇铈氧化物（YCO）是一种常用的稀土光催化剂。
YCO具有较宽的带隙，在可见光区域具有良好的光吸收能力，并且具有优异的光催化活性和稳定性，在水和空气中都能够进行光催化反应。
此外，稀土材料还可以通过合成稀土复合材料来提高光催化活性和稳定性。
2. 稀土光伏材料稀土材料的特殊电学性质使其在光伏领域有着广泛的应用。
稀土材料可以用作太阳能电池的光吸收层或电荷传输层。
通过调控材料的能带结构和光伏器件的体构造，可以使得光能被有效地吸收和转化为电能。
稀土材料的引入可以提高光伏器件的光电转换效率和稳定性。
3. 稀土荧光材料稀土材料在光催化领域的应用还包括荧光材料。
稀土元素具有丰富的发光能级，可以被外界激发并发射出特定波长的荧光。
这些发光特性使得稀土材料可以应用于荧光标记、显示器件和照明等领域。
稀土荧光材料的开发为研究者提供了一种新的工具，用于监测光催化反应的进行以及反应产物的检测。
稀土材料在催化剂领域中的应用与前景展望
稀土材料在催化剂领域中的应用与前景展望引言稀土材料作为一类特殊的化合物，具有丰富的化学活性和独特的物理性质，在各个领域都有广泛的应用。
催化剂领域也不例外，稀土材料因其独特的电子结构和晶体结构，能够提供活性位点和调控反应路径，为催化剂设计和应用带来了新的机遇和挑战。
本文将着重讨论稀土材料在催化剂领域中的应用，并展望其未来发展的前景。
稀土材料在催化剂设计中的应用1.催化剂的构建稀土材料在催化剂设计中常常被用作载体材料，其高表面积和丰富的氧化态能够提供更多的催化活性位点。
此外，稀土材料还能够通过控制晶体结构和表面性质来调控催化剂的活性和选择性。
2.催化反应的催化剂稀土材料因其特殊的化学活性和表面性质，在很多催化反应中具有良好的催化性能。
例如，CeO2材料在三次氧化反应中表现出优异的催化活性和稳定性。
稀土材料还可以作为催化剂的助剂，通过改变表面活性位点或调整反应的反应路径来实现更高的催化效果。
3.稀土材料在催化剂中的应用案例(1)稀土金属氧化物在汽车尾气催化剂中的应用CeO2材料被广泛用于汽车尾气中氧化还原反应的催化剂中。
其在催化剂中的应用主要体现在其高氧存量和自由氧活性，能够提供更多的氧化态Cu和Pd的活性位点，实现更高的氧化还原效果。
(2)稀土催化剂在石化催化加氢中的应用石化催化加氢反应是石化工业中重要的反应之一，稀土材料在其中具有良好的催化效果。
以LaNi5为例，其在石化催化反应中具有较高的催化活性和稳定性，能够有效提高石化产品的质量和产率。
(3)稀土材料在催化剂中的纳米级调控稀土材料的纳米级调控给催化剂的设计和应用带来了更多的可能性。
通过调控稀土材料的晶体结构和表面性质，可以实现催化剂的选择性调控和活性增强。
例如，通过调控CeO2催化剂的晶体结构，可以实现对CO和NOx的高选择性催化还原。
稀土材料在催化剂领域中的前景展望1.稀土材料的合成和表征技术的发展随着合成和表征技术的不断发展，人们对稀土材料的理解和认识也越来越深入。
稀土材料在催化剂中的应用研究
稀土材料在催化剂中的应用研究稀土材料，这听起来是不是有点高大上？但其实它和咱们的生活息息相关，特别是在催化剂这个领域里，那可是有着大作用！我先给您讲讲啥是稀土材料。
稀土可不是土里长出来的稀罕蔬菜，而是一组特殊的金属元素，像镧、铈、镨、钕等等。
这些元素在地球上的含量不算多，所以叫“稀土”。
咱们来聊聊稀土材料在催化剂中的应用。
就拿汽车尾气净化来说吧，这可是个大问题。
以前，汽车尾气排放那叫一个污染严重，空气都变得糟糕。
但是有了稀土材料制成的催化剂，情况就大不一样啦！稀土催化剂能够有效地把有害气体，比如一氧化碳、氮氧化物等，转化为无害的物质。
我记得有一次在路上，看到一辆老旧的汽车，屁股后面冒着黑烟，那气味刺鼻得很。
当时我就在想，如果这辆车能用上含有稀土材料的催化剂，那尾气排放肯定能达标，也不会这么污染环境了。
再比如说石油化工领域。
在炼油过程中，需要进行各种化学反应来提高油品质量。
稀土催化剂就能在这个过程中发挥重要作用，它可以提高反应的效率和选择性，让炼油变得更加高效和环保。
还有在工业生产中的一些化学反应，稀土催化剂也能大展身手。
比如说合成氨，这可是制造化肥的重要步骤。
稀土催化剂能让这个反应进行得更顺利，提高产量，降低成本。
稀土材料在催化剂中的应用，不仅提高了生产效率，还降低了对环境的影响。
这就像是给化学反应配上了一把神奇的钥匙，打开了高效、环保的大门。
但是呢，稀土材料的应用也不是一帆风顺的。
在研究和开发的过程中，科学家们也遇到了不少难题。
比如说，如何提高稀土催化剂的稳定性，让它能在各种条件下都保持良好的性能；如何降低成本，让稀土催化剂能够更广泛地应用等等。
不过，随着科技的不断进步，这些问题也在逐步得到解决。
相信在未来，稀土材料在催化剂中的应用会越来越广泛，为我们的生活带来更多的便利和环保。
总之，稀土材料在催化剂中的应用，是一个充满挑战和机遇的领域。
它就像一个隐藏在幕后的英雄，默默地为我们的生活变得更美好而努力着。
稀土电催化
稀土电催化摘要：一、稀土元素简介二、电催化技术概述三、稀土电催化研究现状与进展四、稀土电催化的应用领域五、展望与挑战正文：稀土元素，被誉为“工业维生素”，在众多领域发挥着重要作用。
近年来，稀土元素在电催化领域的应用研究日益受到关注。
本文将简要介绍稀土元素、电催化技术，并重点分析稀土电催化的研究现状、应用领域及展望与挑战。
一、稀土元素简介稀土元素是指原子序数从57到71的镧系元素，包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）等15种元素。
它们具有独特的电子结构、光学性质和磁性，因此在材料、能源、环保等领域具有重要应用价值。
二、电催化技术概述电催化技术是指利用催化剂在电化学反应过程中提高反应速率、降低活化能的一种方法。
电催化材料的研究与发展，旨在解决能源、环境、化工等领域的一系列问题，如能源转换、污染物治理等。
三、稀土电催化研究现状与进展稀土电催化研究主要集中在以下几个方面：1.稀土氧化物电催化：如氧化镧、氧化铈等，用于氧还原反应（ORR）、氧析出反应（OER）等。
2.稀土金属催化剂：如稀土纳米金属催化剂，用于燃料电池、电解水制氢等。
3.稀土有机框架电催化：如金属有机框架（MOFs）催化剂，用于能源转换、绿色合成等。
4.稀土复合催化剂：如铈氧化物与过渡金属复合催化剂，用于NOx减排、CO2还原等。
四、稀土电催化的应用领域1.能源领域：如燃料电池、电解水制氢、锂离子电池等。
2.环保领域：如NOx减排、SOx减排、CO2捕获与转化等。
3.化工领域：如绿色合成、精细化学品生产等。
4.生物领域：如酶催化、生物传感器等。
五、展望与挑战1.展望：稀土电催化材料在新能源、环保等领域具有巨大的应用潜力，未来有望实现大规模应用。
2.挑战：稀土资源稀缺，如何实现资源的高效利用、降低成本、提高催化性能等是稀土电催化研究面临的挑战。
3.研究方向：面向可持续发展的稀土电催化材料研究，包括资源高效利用、环境友好、低成本、高性能等方面。
稀土元素在催化反应中的应用研究
稀土元素在催化反应中的应用研究稀土元素是指周期表中镧系元素，它们具有独特的电子结构和化学性质，因此在催化反应中的应用备受关注。
本文将探讨稀土元素在催化反应中的应用研究，并重点介绍稀土元素在催化剂设计、催化剂稳定性和催化反应选择性方面的作用。
一、稀土元素在催化剂设计中的应用研究稀土元素具有丰富的氧化态和配位数，可以通过调控其配位环境来设计催化剂。
例如，通过改变稀土元素的配位数和配位环境，可以调节催化剂的电子结构和活性位点密度，从而改善催化剂的催化性能。
此外，稀土元素还可以与其他金属形成合金或氧化物，进一步增强催化剂的稳定性和活性。
二、稀土元素在催化剂稳定性中的应用研究催化剂的稳定性是催化反应的关键因素之一。
稀土元素具有较高的氧化还原能力和抗氧化性能，可以有效地抑制催化剂的氧化和析出，延长催化剂的使用寿命。
此外，稀土元素还可以通过与催化剂中的其他组分形成稳定的氧化物或氧化物包覆层，提高催化剂的抗硫和抗碳积炭性能。
三、稀土元素在催化反应选择性中的应用研究催化反应的选择性是指在多个可能的反应路径中选择出特定的产物。
稀土元素可以通过调节催化剂的活性位点和表面酸碱性质，实现对反应中间体的选择性吸附和转化，从而调控催化反应的选择性。
此外，稀土元素还可以与催化剂中的其他组分相互作用，影响反应物在催化剂表面的吸附和解离，进一步调节催化反应的选择性。
综上所述，稀土元素在催化反应中的应用研究具有重要意义。
通过合理设计催化剂的配位环境和调控催化剂的稳定性，可以提高催化剂的催化性能和使用寿命。
同时，稀土元素还可以调节催化剂的活性位点和表面酸碱性质，实现对催化反应的选择性控制。
这些研究为催化反应的优化和工业化应用提供了新的思路和方法。
然而，稀土元素在催化反应中的应用研究还存在一些挑战。
首先，稀土元素的资源相对有限，需要合理利用和开发。
其次，稀土元素的合成和制备方法需要进一步改进和优化，以提高催化剂的制备效率和催化性能。
此外，稀土元素在催化反应中的作用机制和影响因素还需要深入研究和理解。
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稀土催化剂研究进展摘要稀土催化材料的研究和发展为La 和Ce 等高丰度轻稀土元素的高质、高效利用提供了有效的途径。
稀土元素具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征, 作为催化剂的活性组分或载体使用时表现出独特的催化性能。
本文介绍了稀土催化材料在石油化工，化石燃料催化燃烧、机动车尾气的催化净化，有毒有害废气的治理、固体氧化物燃料电池及移动制氢、稀土催化理论研究等方面的应用和研究现状，并就稀土催化材料研究中存在的问题和稀土催化材料的发展进行了思考和展望。
关键词：稀土，催化，环境THE RESEARCH PROGRESS OF RARE EARCHCATALYSTABSTRACTThe research and development of rare earth catalytic materials for light rare earth element provides an efficient way. Rare earth elements is not full of electronic 4f tracks and have characteristics of lanthanide contraction. They shows unique catalytic properties when used as active component of catalyst or carrier.Rare earth catalytic materials in petrochemical industry has been introduced in this paper, such as: the fossil fuel catalytic combustion, motor vehicle tail gas purification, the management of the poisonous and harmful waste gas, solid oxide fuel cell and mobile hydrogen production, rare earth catalyst application and research status of theoretical research, etc. In this paper, the problems of rare earth catalytic materials and rare earths catalytic materials for the development of thinking and outlook. KEYWORDS: Rare earths, catalysis, environment目录第一章引言 (1)第1.1节稀土元素简介 (1)第1.2节稀土元素利用概况 (1)第二章稀土催化材料国内外发展概况 (2)第2.1节石油化工催化剂 (2)第2.2节天然气等化石燃料的催化燃烧 (2)第2.3节机动车尾气的净化催化剂 (3)第2.4节有毒有害废气的催化净化 (3)第2.5节固体氧化物燃料电池 (4)第2.6节移动制氢催化剂 (4)第三章稀土催化的理论研究 (5)第四章结论和展望 (5)参考文献 (7)第一章引言第1.1节稀土元素简介稀土元素由镧系元素（15个元素）和与其密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）组成，具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征，作为催化剂的活性组分或载体使用时表现出独特的催化性能。
稀土元素具有特殊的光、电、磁和催化等特性，其应用领域已从冶金机械、石油化工、玻璃陶瓷、农业等传统领域拓展到磁性材料、储氢材料、发光材料、催化材料、高温超导材料等功能材料领域。
从20世纪60年代中期开始，国内外对稀土化合物的催化性质进行了广泛的研究，稀土催化材料按其组成大致可分为：稀土氧化物，稀土复合氧化物，稀土-（贵）金属，稀土-分子筛等。
研究表明，稀土在催化剂中的存在可以：（1）提高催化剂的储氧能力；（2）提高活性金属的分散度,改善活性金属颗粒界面的催化活性；（3）降低贵金属用量；（4）提高Al2O3等材料的热稳定性；（5）促进水气转化和蒸汽重整反应；（6）提高晶格氧的活动能力等，从而使催化剂的性能得到显著提高。
第1.2节稀土元素利用概况我国是稀土大国，稀土的储量和产量均为世界第一，但我国的稀土消费量只占世界总量的约1/4，可见我国主要以稀土原料出口，是世界上最大的稀土原料供应国。
同时我国还存在稀土利用的不平衡，随着我国稀土永磁、冶金、荧光粉等产量的增加，中重稀土和钕的消费量大幅增加，导致高丰度的元素铈、镧等大量积压。
稀土催化材料是促进高丰度轻稀土元素镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）等大量应用，有效缓解并解决我国稀土消费失衡，并提升能源与环境技术，促进民生，改善人类生存环境的高科技材料。
从2005年开始，全球稀土催化材料成为稀土应用需求最大的领域，其最大的应用市场是石油催化裂化催化剂和机动车尾气净化催化剂两大领域。
第二章稀土催化材料国内外发展概况第2.1节石油化工催化剂分子筛具有大比表面积、发达的孔道结构、酸性、择型性等，而被广泛应用于催化裂化、加氢裂化、异构化、芳构化、烷基化、脱蜡等过程，产生了巨大的经济和社会效益。
从20世纪60年代初开始，以分子筛催化剂代替无定型硅铝催化剂作为裂化催化剂被誉为炼油工业的技术革命。
稀土元素作为一个重要组分被引入到裂化催化剂后能显著提高催化剂的活性和稳定性，大幅度提高原料油裂化转化率，增加汽油和柴油的产率。
同时，稀土-分子筛催化剂体系还具有原油处理量大、轻质油收率高、生焦率低、催化剂损耗低、选择性好等优点。
在分子筛中引进稀土可以调节催化剂的酸性和孔径分布。
根据RE3+的种类、交换量和引入方式的不同，可对分子筛的酸中心数目、强度分布等进行调节，从而调变催化剂的性能。
如在USY中引入少量RE3+，可使催化剂对汽油的选择性升高[1]。
在石油化工的实际应用过程中，往往面临高温、水热环境等苛刻的工况，特别是水热环境会引起分子筛结晶度下降、骨架铝的脱除等，最终导致分子筛结构塌陷而失活。
经稀土离子（如La、Ce、Pr等）交换后形成的稀土-分子筛有利于骨架铝的保持，可有效提高分子筛结构的稳定性。
第2.2节天然气等化石燃料的催化燃烧催化燃烧作为一种环境友好过程，越来越受到人们的关注。
催化燃烧是在催化剂的作用下，使燃料与空气在催化剂表面进行非均相的完全氧化反应。
与传统的火焰燃烧相比，催化燃烧具有：（1）起燃温度低，燃烧稳定；（2）可在较大的油/气比范围内实现稳定燃烧；（3）燃烧效率高；（4）污染物（NO x、不完全燃烧产物等）排放水平低；（5）噪音低等特点。
催化燃烧技术的关键是高性能燃烧催化剂的开发。
天然气催化燃烧用催化剂可分为：（1）负载型贵金属（Pt，Pd）催化剂；（2）负载型非贵金属催化剂（Ni，Co，Mn，Cu，Fe等）；（3）复合氧化物催化剂（其中主要有含稀土的钙钛矿型、尖晶石型、萤石型、六铝酸盐等氧化物等）。
其中贵金属催化剂具有其他催化剂不可比拟的高活性[2]。
第2.3节机动车尾气的净化催化剂机动车采用的燃料不同（如汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等），排放的尾气的组成有所不同。
对于柴油车尾气的排放控制,除了要对CO和HC进行净化外，对颗粒物和NO x的净化是其难点[3, 4]。
对于压缩天然气（CNG）或液化石油（LPG）燃料车，虽然CO和HC的排放量比普通汽油车低许多，但不能解决氮氧化物的污染问题。
对于稀燃汽油发动机的尾气治理，难点在富氧条件下的NO选择性还原。
综合其难点和从发展的趋势来看，汽车尾气净化催化剂目前要解决的难点是：（1）在更宽A/F比的工作范围内，特别是富氧条件下，提高对氮氧化物还原的选择性。
（2）降低起燃温度，减少冷启动时污染物的排放。
为此开发了密偶催化剂（CCCs），HC化合物吸附催化剂等[5]。
（3）提高催化剂的耐久性和高温稳定性。
第2.4节有毒有害废气的催化净化除了机动车排放的尾气之外，由工业源排放的SO x，NO x和易挥发性有机化合物等有毒、有害气体也是大气的污染物，严重地影响了人们的身体健康和城乡经济的发展，同时由装饰材料等造成的室内空气污染也越来越引起人们的重视。
经济高效的净化技术是解决此类问题的关键，其中催化净化技术是最有效的方法。
烟气脱硫按脱硫剂的形态分为湿法和干法两大类。
由于湿法烟气脱硫自身的限制，近年来干法烟气脱硫研究及开发得到迅速发展。
稀土氧化物作为吸收剂或催化剂的干法脱硫的研究受到普遍关注[6]。
稀土氧化物是非常有应用前景的吸收剂，如CeO2/Al2O用于同时脱除烟气中的SO2和NO x，脱氮脱硫效率都大于90%[7]。
同时La2O3或CeO2所形成的钙钛矿型、萤石型的稀土复合氧化物在烟气催化还原脱硫方面也显示良好的应用前景，如La2O3在反应气氛中可生成La2O2S，可催化COS与SO2的反应，从而抑制毒性更大的COS的形成。
在光催化净化方面，稀土的引入可以扩大二氧化钛的光吸收区，为二氧化钛空气净化在室内弱光和可见光条件下的有效应用开拓了更大空间[8]。
同时，吸附材料和光催化剂复合的方法与技术，结合吸附净化与光催化净化的优势，有望在高效空气净化技术方面形成突破[9, 10]。
第2.5节固体氧化物燃料电池燃料电池是按电化学方式直接将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，几乎不排放NO x和SO x，同时CO2排放量比常规发电厂减少40%以上。
根据所用电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC），磷酸盐燃料电池（PAFC），质子交换膜燃料电池（PEMFC），熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC），固体氧化物型燃料电池（SOFC）等。
其中SOFC的操作温度高（800~1000℃），排出的余热可与燃气轮机、蒸汽轮机等联用，从而能量利用率在燃料电池中处于领先地位，已成为国际上继PEMFC后研究开发的重点。
2003年美国能源部推出了“Future-gen”计划，投资10亿美元研究未来的能源工厂技术，以实现发电效率达到60%~70%，发电/供热综合效率达到70%~80%。
同时固体氧化物型燃料电池（SOFC）不需要使用贵金属催化剂，并适合于多种燃料（如氢气、甲烷、碳氢化合物等）。
Park[11]等报道了Cu-CeO2为阳极的SOFC上在973和1073 K时甲烷、甲苯等的直接电化学氧化性能，最终产物为CO2和H2O，如以丁烷为原料，开环电压可达到0.9 V。
构成SOFC的关键部件主要有电解质、阴极、阳极和双极板或连接材料等，稀土在其中各部分中，均发挥着重要的作用。