本書基于稀土材料在催化領(lǐng)域的研究進(jìn)展，系統(tǒng)概述了稀土材料的基本概念、制備方法、表征方法和催化性能，重點(diǎn)論述了稀土材料在石油化工催化、天然氣和煤炭催化燃燒、汽車尾氣催化凈化、工業(yè)廢氣催化凈化、光催化、電催化等多個(gè)催化領(lǐng)域的應(yīng)用和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。書中內(nèi)容深入淺出、圖文并茂，讀者通過閱讀本書可以在較短時(shí)間內(nèi)全面了解稀土材料的催化應(yīng)用，并有助于基于國內(nèi)外研究進(jìn)展指導(dǎo)科學(xué)研究工作。
本書可供從事稀土材料、催化材料、無機(jī)非金屬材料、環(huán)境工程、石油化工、新能源、表面物理與化學(xué)等領(lǐng)域的科研人員和技術(shù)人員參考，也可供高等學(xué)�；瘜W(xué)和材料科學(xué)等相關(guān)專業(yè)的師生參閱。
本書首先概述了稀土資源的分布、元素的表征，然后分章節(jié)介紹稀土材料在各行業(yè)中的催化應(yīng)用，如石油化工行業(yè)、催化燃燒、汽車尾氣凈化、工業(yè)廢氣凈化、光催化低溫燃料電池等方面。每類催化應(yīng)用分別從催化機(jī)理、催化劑制備、催化作用等幾方面進(jìn)行闡述，詳細(xì)介紹了稀土材料在催化應(yīng)用方面近幾年的研究進(jìn)展。
稀土作為我國最重要的戰(zhàn)略資源之一，因其豐富的光、電、磁和化學(xué)等特殊性能，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，諸如信息、自動(dòng)化、能源環(huán)保、生物和新材料等高新技術(shù)領(lǐng)域以及石油化工、農(nóng)業(yè)、冶金等傳統(tǒng)領(lǐng)域。稀土元素的實(shí)際應(yīng)用始于催化劑，時(shí)至今日，稀土材料在催化反應(yīng)中的應(yīng)用已是整個(gè)稀土材料應(yīng)用中最為廣泛的領(lǐng)域。以催化材料為核心的催化科學(xué)和技術(shù)是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，每一代新型、高效、環(huán)保催化材料的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，都是化學(xué)工業(yè)跳躍式發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。因此，催化材料的研究一直以來都是化學(xué)化工和材料科學(xué)研究最熱門的重要領(lǐng)域之一。
稀土元素具有獨(dú)特的電子層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、可變的化學(xué)價(jià)態(tài)、多樣的配位形式和表面酸位等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)催化材料相比，稀土元素不僅自身具有催化活性，而且還可作為添加劑或助催化劑以提高催化性能。稀土催化材料根據(jù)組成可分為稀土摻雜催化劑、稀土復(fù)合氧化物催化劑、稀土貴金屬催化劑和稀土沸石催化劑等。催化劑中稀土元素的存在可以提高催化劑的機(jī)械強(qiáng)度、提高晶格氧的活動(dòng)能力、提高催化劑儲(chǔ)釋氧能力、提高活性金屬在載體上的分散度、阻礙活性金屬燒結(jié)的同時(shí)提高催化劑熱穩(wěn)定性等，以上特性均使催化劑性能得到顯著改善。因此，稀土催化材料的應(yīng)用已涵蓋石油化工催化反應(yīng)、催化燃燒、汽車尾氣排放控制、工業(yè)廢氣凈化、光催化和電催化等眾多領(lǐng)域，涉及國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的方方面面。
當(dāng)前，我國正處于由長期以來的“高碳型”能源結(jié)構(gòu)向綠色低碳化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期。大力開發(fā)稀土在催化材料領(lǐng)域中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高煤炭等傳統(tǒng)化石能源的清潔高效利用水平，促進(jìn)新能源材料的開發(fā)，對(duì)推動(dòng)稀土、環(huán)境和新能源等相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的跨越式發(fā)展、提升我國在高附加值戰(zhàn)略稀土材料上的國際競爭力、實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等方面具有十分重要的戰(zhàn)略意義。鑒于上述原因，作者集多年教學(xué)、科研等經(jīng)驗(yàn)，主要針對(duì)稀土材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用和國內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀編寫了此書。本書簡要介紹了稀土在自然界中的存在狀態(tài)、礦物學(xué)特征和稀土精準(zhǔn)測定分析方法。在此基礎(chǔ)上，通過大量的資料查閱和調(diào)研，總結(jié)了稀土催化在石油化工、汽車尾氣凈化、工業(yè)廢氣凈化、人居環(huán)境凈化和電催化等領(lǐng)域的應(yīng)用，闡述了稀土催化材料在各種催化劑中的存在形式、催化反應(yīng)機(jī)理、主要影響因素及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。本書旨在為從事稀土材料、催化材料、無機(jī)非金屬材料、環(huán)境工程、新能源、表面物理與化學(xué)等領(lǐng)域的科研人員和技術(shù)人員提供參考，也可供高等學(xué)�；瘜W(xué)和材料科學(xué)等相關(guān)專業(yè)的師生參閱。
全書分為7章，第1章介紹了稀土材料在自然界中的存在狀態(tài)、基本特征、測定分析方法和稀土材料的催化應(yīng)用簡介，第2～7章分別闡述了稀土催化材料在催化裂化反應(yīng)、催化燃燒反應(yīng)、汽車尾氣凈化、工業(yè)廢氣凈化、光催化反應(yīng)和電催化反應(yīng)中的應(yīng)用、作用機(jī)理和國內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀。本書由南昌航空大學(xué)的羅一丹博士和薛名山博士共同撰寫。在本書撰寫過程中，鄭傲峰、韓玉、袁鋒、周東鵬、賈宇、王勇虎、江漢文、程伊參與了部分工作，俞星星、李堅(jiān)參與了部分修改校對(duì)。
本書的出版得益于南昌航空大學(xué)科研成果專項(xiàng)資助基金和國家自然科學(xué)基金（11864024和51662032）的共同資助，在此致以真摯的謝意。
由于筆者能力有限，書中難免存在疏漏之處，殷切希望廣大專家和讀者朋友給予批評(píng)指正。
羅一丹，薛名山
2020年10月
羅一丹，南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，講師，作者碩士期間的專業(yè)為物理化學(xué)，博士期間的專業(yè)為化學(xué)，所在課題組研究方向?yàn)闊o機(jī)非金屬材料的催化應(yīng)用，特別是稀土的催化應(yīng)用研究較多，包括汽車尾氣處理、工業(yè)脫硝、光催化等。作者具有多年從事催化領(lǐng)域研究的經(jīng)驗(yàn)，主要研究領(lǐng)域?yàn)榧{米材料的光催化應(yīng)用，已發(fā)表SCI論文13篇，其中一作5篇，一區(qū)和二區(qū)論文各兩篇�，F(xiàn)在所教課程為《太陽能電池材料與技術(shù)》對(duì)于無機(jī)非金屬材料的能源方向的應(yīng)用也比較了解。因此，以《稀土材料的催化應(yīng)用》為題出版專著，具有相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)和研究背景。
第1章緒論/001
1.1稀土材料簡介001
1.1.1稀土元素的分布002
1.1.2稀土材料的冶煉003
1.1.3稀土元素對(duì)環(huán)境和健康的影響004
1.1.4稀土元素的回收006
1.2稀土元素的儀器表征008
1.2.1X射線熒光光譜009
1.2.2激光誘導(dǎo)擊穿光譜009
1.2.3儀器中子活化分析010
1.2.4電感耦合等離子體發(fā)射光譜011
1.2.5微波等離子體原子發(fā)射光譜012
1.2.6電感耦合等離子體質(zhì)譜012
1.2.7輝光放電質(zhì)譜014
1.2.8原位分析技術(shù)015
1.3稀土材料的催化應(yīng)用簡介015
1.3.1石油化學(xué)工業(yè)的催化裂化應(yīng)用015
1.3.2天然氣和煤炭的催化燃燒應(yīng)用017
1.3.3汽車尾氣的催化凈化應(yīng)用019
1.3.4工業(yè)廢氣的催化凈化應(yīng)用020
1.3.5光催化應(yīng)用022
1.3.6電催化應(yīng)用023
參考文獻(xiàn)023
第2章稀土材料在石油化工中的應(yīng)用/028
2.1催化裂化工藝028
2.1.1催化裂化概念028
2.1.2催化裂化工藝類型030
2.1.3催化裂化反應(yīng)機(jī)理034
2.1.4催化裂化各種烴的反應(yīng)過程036
2.2催化裂化催化劑038
2.2.1催化裂化催化劑組成038
2.2.2沸石催化劑040
2.3FCC催化劑中稀土的應(yīng)用047
2.3.1催化劑失活機(jī)理及稀土在污染物金屬鈍化中的應(yīng)用048
2.3.2稀土對(duì)催化裂化催化劑水熱穩(wěn)定性的影響052
2.3.3稀土對(duì)沸石酸度的影響054
2.3.4稀土對(duì)汽油產(chǎn)量的影響055
2.3.5稀土對(duì)催化劑活性的影響056
2.3.6稀土對(duì)汽油辛烷值的影響057
參考文獻(xiàn)058
第3章稀土材料在催化燃燒中的應(yīng)用/061
3.1催化燃燒簡介061
3.2稀土元素對(duì)天然氣催化燃燒的影響062
3.2.1天然氣催化燃燒的研究背景062
3.2.2甲烷催化燃燒反應(yīng)機(jī)理063
3.2.3甲烷催化燃燒催化劑種類064
3.2.4含稀土元素的負(fù)載貴金屬催化劑對(duì)甲烷催化燃燒的影響064
3.2.5含稀土元素的尖晶石對(duì)甲烷催化燃燒的影響066
3.2.6含稀土元素的六鋁酸鹽對(duì)甲烷催化燃燒的影響067
3.2.7含稀土元素的鈣鈦礦對(duì)甲烷催化燃燒的影響072
3.2.8含稀土元素的其他復(fù)合氧化物對(duì)甲烷催化燃燒的影響076
3.3稀土元素對(duì)燃煤催化燃燒的影響077
3.3.1我國燃煤現(xiàn)狀及展望077
3.3.2燃煤催化燃燒的催化機(jī)理077
3.3.3稀土元素對(duì)燃煤催化燃燒的影響078
參考文獻(xiàn)079
第4章稀土材料在汽車尾氣催化凈化中的應(yīng)用/082
4.1汽車尾氣簡介082
4.1.1汽車尾氣主要成分及其危害083
4.1.2汽車尾氣處理辦法085
4.2汽車尾氣處理之三效催化劑086
4.2.1催化劑組成086
4.2.2催化反應(yīng)機(jī)理091
4.2.3三效催化劑的基本特性及存在的問題092
4.3稀土元素在三效催化劑中的作用093
4.3.1稀土元素在活性組分中的作用094
4.3.2稀土元素對(duì)涂層的影響095
4.3.3稀土元素在助劑中的作用095
參考文獻(xiàn)100
第5章稀土材料在工業(yè)廢氣凈化中的應(yīng)用/103
5.1工業(yè)廢氣簡介103
5.1.1工業(yè)廢氣的來源103
5.1.2工業(yè)廢氣的分類及危害104
5.2常見工業(yè)廢氣處理辦法110
5.2.1廢氣收集與輸送排放系統(tǒng)111
5.2.2廢氣處理的原理及方法111
5.2.3主要污染物處理技術(shù)113
5.3稀土催化在揮發(fā)性有機(jī)化合物催化燃燒中的應(yīng)用124
5.3.1稀土氧化物作為催化劑助劑125
5.3.2稀土氧化物作為催化劑載體126
5.3.3稀土氧化物作為催化劑活性組分127
5.4稀土催化在煙氣同時(shí)脫硫脫硝中的應(yīng)用129
5.5稀土催化在煙氣脫硫中的應(yīng)用132
5.6稀土催化在低溫NH3-SCR脫硝中的應(yīng)用134
5.6.1二氧化鈰作為表面負(fù)載組分136
5.6.2二氧化鈰作為純載體137
5.6.3鈰基多元復(fù)合氧化物催化劑137
5.6.4稀土基催化劑的抗中毒性研究139
5.7稀土催化材料在工業(yè)廢氣中應(yīng)用總結(jié)143
參考文獻(xiàn)145
第6章稀土材料在光催化反應(yīng)中的應(yīng)用/150
6.1光催化反應(yīng)過程150
6.2光催化反應(yīng)的應(yīng)用155
6.2.1光催化分解水155
6.2.2光催化降解有機(jī)廢棄污染物157
6.2.3光催化CO2還原反應(yīng)160
6.2.4光催化揮發(fā)性有機(jī)化合物處理162
6.3含稀土的光催化劑164
6.3.1稀土摻雜光催化劑164
6.3.2稀土化合物光催化劑178
6.3.3稀土復(fù)合光催化劑180
參考文獻(xiàn)186
第7章稀土材料在電催化反應(yīng)中的應(yīng)用/190
7.1引言190
7.2稀土及含稀土電催化劑191
7.3含稀土電催化劑在析氫反應(yīng)中的應(yīng)用192
7.3.1稀土合金在析氫反應(yīng)中的應(yīng)用193
7.3.2含Ce或CeO2的電催化劑在析氫反應(yīng)中的應(yīng)用194
7.3.3含稀土鈣鈦礦電催化劑在析氫反應(yīng)中的應(yīng)用195
7.3.4其他含稀土電催化劑在析氫反應(yīng)中的應(yīng)用196
7.4含稀土電催化劑在析氧反應(yīng)中的應(yīng)用197
7.4.1鈰摻雜電催化劑在析氧反應(yīng)中的應(yīng)用198
7.4.2與CeO2復(fù)合的電催化劑在析氧反應(yīng)中的應(yīng)用199
7.4.3含稀土鈣鈦礦電催化劑在析氧反應(yīng)中的應(yīng)用200
7.5含稀土電催化劑在氧還原反應(yīng)中的應(yīng)用201
7.5.1稀土與鉑的合金電催化劑在氧還原反應(yīng)中的應(yīng)用202
7.5.2CeO2促進(jìn)的貴金屬電催化劑在氧還原反應(yīng)中的應(yīng)用203
7.5.3CeO2促進(jìn)的非貴金屬電催化劑在氧還原反應(yīng)中的應(yīng)用203
7.5.4鈰基催化劑在氧還原反應(yīng)中的應(yīng)用204
7.5.5含稀土鈣鈦礦電催化劑在氧還原反應(yīng)中的應(yīng)用205
7.6含稀土電催化劑在甲醇氧化中的應(yīng)用205
7.7含稀土電催化劑在其他電化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用209
7.8總結(jié)210
參考文獻(xiàn)212
附錄常用分析方法符號(hào)與縮略語/219
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