鈣鈦礦氧化物對溫室氣體氧化還原的潛力

刊登日期:2017/5/5
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過去VOCs主要利用吸附或燃燒的方式處理,最常見的方式是以活性炭吸附材吸附,吸附飽和後再給回收場燃燒處理,而燃燒處理是以高溫燃燒(>1,000˚C)的方式將VOCs轉為CO2與H2O,雖然將VOCs處理了,但燃燒過程中又衍生NOx,故其實沒有相當環保、處理效率也差。以觸媒燃燒催化處理VOCs是近年主要發展技術,因為低溫、高效率、減少燃料損耗、不會衍生NOx等優點,為各界研究發展之目標。

觸媒燃燒催化所應用的觸媒材料可分為貴金屬與金屬氧化物二大類,Pd、Pt和Au是觸媒燃燒催化過程中最常使用的觸媒材料。這些材料通常在低溫下除去VOCs具有最高的活性,相對地成本也比較高。表二為過去文獻以貴金屬去除VOCs效率比較,有趣的是載體部分選擇具有觸媒特性的Fe、Co、Ni、Ce、Cu等元素的氧化物材料,可以針對VOCs氧化有更佳的效率提升。以金屬氧化物處理VOCs為近年來重點發展的方向,由於材料成本比貴金屬低,高溫穩定性佳,又可因成份控制設計使氧化物針對不同VOCs氣體的吸附實施改質,為相當有潛力之材料應用,其中又以具有鈣鈦礦結構(Perovskite)的氧化物最受矚目。

鈣鈦礦氧化物材料
鈣鈦礦CaTiO3材料是在1839年由俄羅斯地質學家Lev Perovski所發現的,英文稱為Perovskite。鈣鈦礦晶體結構由於其優異的熱穩定性、電子結構、離子導電性、電子遷移率和氧化還原性能而成為混合氧化物族中重要的一類新材料,現今可以簡化為具有結構ABO3的通式,而且是以稀土鑭系氧化物最多,晶體結構如圖一所示。

此種鈣鈦礦氧化物(Perovskite Oxides)的特色是可將具有不同原子半徑尺寸或不同價電子組態的多種A或B陽離子導入,如(AxA’1-x)(ByB’1-y)O3-z,影響陽離子與氧陰離子整體非電中性,因而造成部分的氧原子缺乏鍵結而形成所謂「氧空缺」缺陷的結構,此氧空缺結構可使材料成為一種具有氧離子傳遞的電解質材料,可與外界的物質交換氧原子,使其具有催化、氧化還原的特性,鈣鈦礦材料與VOCs的氧化反應機制如圖二所示。鈣鈦礦材料利用本身晶體A、B電位差產生之氧空缺,提供了一活性吸附位置,可以將VOCs吸附,同時利用環境之熱能以及鈣鈦礦材料本身的催化特性分解環境中的氧,再經由氧空缺的傳遞使VOCs氧化,故可以不斷地循環反應。圖三與表三為鈣鈦礦材料其他的應用,如固態燃料電池SOFC中的電極材料,就是使用(La, Sr)CoO3作為陰極材料,將氧氣分解為氧離子;超導體材料中釔鋇銅氧(Ba,Y)CuO3也是鈣鈦礦的結構;應用在民生中的超音波振盪子材料鈦酸鋇BaTiO3等,由此可見鈣鈦礦的結構帶來了許多優異的材料特性,可以為人類所使用。

圖三、鈣鈦礦材料其他應用
圖三、鈣鈦礦材料其他應用

VOCs的氧化
過去Pt與Pd是用來氧化VOCs的主要觸媒材料,然而,這近十年來鈣鈦礦材料似乎是一個新的選擇,特別是應用在高溫、富氧氣、蒸汽或含硫的環境中,鈣鈦礦具有顯著的熱穩定性與抗毒化性。Y. Wang等人則是利用複合材料的方式將Au-Pd貴金屬觸媒與鈣鈦礦材料La0.6Sr0.4MnO3結合在一起,並利用3D多孔結構的製造技術,成功製備了具有高表面積(32.0~33.8平方米/克)的催化劑,如圖七所示,此複合結構可以改善鈣鈦礦氧化物材料在低溫環境時電子傳導性較差的…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖七、AuPd/La0.6Sr0.4MnO3複合結構鈣鈦礦觸媒技術示意圖
圖七、AuPd/La0.6Sr0.4MnO3複合結構鈣鈦礦觸媒技術示意圖

作者:莊凱翔、邱國創 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」365期,更多資料請見下方附檔。


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