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催化劑程序升溫技術(shù)第一頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日程序升溫分析技術(shù)(動(dòng)態(tài)分析)催化性能:催化劑活性中心的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、反應(yīng)分子在其上的反應(yīng)歷程等TPAT在研究催化劑表面上分子在升溫時(shí)的脫附行為和各種反應(yīng)行為的過(guò)程中,可以獲得以下重要信息:表面吸附中心的類(lèi)型、密度和能量分布;吸附分子和吸附中心的鍵合能和鍵合態(tài)。催化劑活性中心的類(lèi)型、密度和能量分布;反應(yīng)分子的動(dòng)力學(xué)行為和反應(yīng)機(jī)理。活性組分和載體、活性組分和活性組分、活性組分和助催化劑、助催化劑和載體之間的相互作用。各種催化效應(yīng)-協(xié)同效應(yīng)、溢流效應(yīng)、合金化效應(yīng)、助催化劑效應(yīng)、載體效應(yīng)等。第二頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日

小分子氣體(O2,H2,CO2,N2,CO和C2H4)在金屬或氧化物表面的吸附,其催化作用與其表面對(duì)反應(yīng)物的化學(xué)吸附緊密相關(guān),通過(guò)研究吸附態(tài)分子與表面的作用以及吸附態(tài)分子的相互作用來(lái)揭示催化作用的本質(zhì)。一、氫吸附,VIIIB金屬上進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)?;瘜W(xué)吸附熱QH最小。解離吸附。常用HREELS和EELS研究,得到H2在金屬表面吸附的光譜特征。二、CO吸附,偶極活性大。紅外光譜表征,線式、橋式和孿生吸附態(tài)。

第三頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日定義:當(dāng)固體物質(zhì)或預(yù)吸附某些氣體的固體物質(zhì),在載氣流中以一定的升溫速率加熱時(shí),檢測(cè)流出氣體組成和濃度的變化或固體(表面)物理和化學(xué)性質(zhì)變化的技術(shù)??煞譃椋撼绦蛏郎剡€原(TPR)

程序升溫脫附(TPD)

程序升溫表面反應(yīng)(TPSR)

程序升溫氧化(TPO)程序升溫分析技術(shù)第四頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.TPD理論TPD過(guò)程中,可能有以下現(xiàn)象發(fā)生:分子從表面脫附,從氣相再吸附到表面;分子從表面擴(kuò)散到次層(subsurface),從次層擴(kuò)散到表面;分子在內(nèi)孔的擴(kuò)散。第五頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.1均勻表面的TPD理論分子從表面脫附的動(dòng)力學(xué)可用Polanyi-Wigner方程來(lái)描述。忽略了分子從表面到次層的擴(kuò)散和分子之間的相互作用。

式中為表面覆蓋度;ka為吸附速率常數(shù);kd為脫附速率常數(shù);cG為氣體濃度;Ed為脫附活化能;v為指前因子;n為脫附級(jí)數(shù);T為溫度,K;R為氣體常數(shù);t為時(shí)間。第六頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.1均勻表面的TPD理論Amenomiya進(jìn)一步推導(dǎo)出實(shí)用的TPD方程

Tm為T(mén)PD譜圖高峰出的相應(yīng)溫度;△Ha為吸附熱焓(-△Ha=Qa及吸附熱);Vs為吸附劑體積;Vm為單層飽和吸附體積;Fc為載氣流速。第七頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.1均勻表面的TPD理論沒(méi)有再吸附發(fā)生的情況下,TPD方程為:(1-7)n=1時(shí),(1-8)

Tm和Fc有關(guān)時(shí),TPD過(guò)程伴隨著在吸附,如果加大Fc使Tm和Fc無(wú)關(guān),即得式(1-7)、(1-8)。這時(shí),TPD變成單純的脫附過(guò)程。通過(guò)改變可以判斷TPD過(guò)程有無(wú)再吸附發(fā)生以及消除再吸附現(xiàn)象的發(fā)生。對(duì)于脫附動(dòng)力學(xué)是二級(jí)(n=1)的,TPD譜圖呈現(xiàn)不對(duì)稱圖形,脫附動(dòng)力學(xué)是二級(jí)(n=2)的,TPD譜圖呈現(xiàn)對(duì)稱形,因此可以從圖形的對(duì)稱與否,判定n的值。第八頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日第九頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.假設(shè)在脫附過(guò)程中氣相不吸附;反應(yīng)級(jí)數(shù)n=1;第十頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日2.當(dāng)T=Tm時(shí),峰頂溫度,rd最大,第十一頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日第十二頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日第十三頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.1.1脫附動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定(1)通過(guò)改變影響出峰溫度,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)改變得到相應(yīng)的Tm值,對(duì)1/Tm作圖,由直線斜率求出吸附熱焓△Ha

(有再吸附發(fā)生(用改變Fc來(lái)判斷))。不發(fā)生再吸附時(shí),n=1時(shí),對(duì)1/Tm作圖,由直線斜率求出脫附活化能,由Ed和截距求出指前因子v值。第十四頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.1.1脫附動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定(2)圖形分析法在TPD凸現(xiàn)最高峰hm(其相應(yīng)溫度為T(mén)m)以右斜坡曲線上取不同峰高h(yuǎn)1,同時(shí)得到相應(yīng)的不同Ti和Ai(如圖1),對(duì)作圖,則可求得Ed和v。第十五頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日第十六頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日第十七頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.2不均勻表面的TPD理論吸附劑(或催化劑)在很多情況下其表面能量分布是不均勻的,或者說(shuō)其表面存在性質(zhì)不同的吸附中心或活性中心。研究吸附劑或催化劑的表面性質(zhì)是催化理論研究重要課題。出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)更多的峰(分離烽或重疊峰),一般來(lái)說(shuō)這正是表面不均勻的標(biāo)志。存在吸附分子之間發(fā)生橫向作用或吸附分子在表面和次層之間發(fā)生正逆方向擴(kuò)散或吸附劑具有雙孔分布也都能引起多脫附峰的出現(xiàn)。不同的TPD峰彼此相互分離,則可把每個(gè)峰看成是具有等同能量的各個(gè)表面中心所顯示的TPD峰,中心的各種參數(shù):Ed(或△Ha),v,n等。第十八頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.2.1多吸附中心模型ra為吸附速率。各中心的脫附速率方程為第十九頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.2.1多吸附中心模型從反應(yīng)床上的物料平衡來(lái)看,氣相中的分子濃度為Ns為吸附中心總數(shù);X1、X2分別表示中心1和2所占的分?jǐn)?shù),可以導(dǎo)出凈脫附速率t=0,T=T0第二十頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.2.1多吸附中心模型若,即和若,即和不能通過(guò)獨(dú)立的模擬每種中心的TPD規(guī)律來(lái)描述多中心TPD規(guī)律,尤其當(dāng)兩種中心的能量相差不是很大時(shí)更是如此。如果兩種中心的能量相差很大,即TPD峰相互分離,這是因?yàn)橐环N中心上的分子隨溫度的上升而脫附時(shí),另一種能量高的中心上的分子不發(fā)生脫附。可以用均勻表面的TPD過(guò)程的處理方法,分別處理兩種中心上吸附分子的TPD過(guò)程。

TPD試驗(yàn)時(shí),載氣流速和升溫速率是兩個(gè)最重要的操作因素。第二十一頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日

說(shuō)明:改變Fc或β,兩個(gè)峰的相對(duì)大小基本不變。這是兩個(gè)吸附中心的TPD的重要特征。第二十二頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.2.2脫附速率等溫線分析法處理不均勻表面的脫附動(dòng)力學(xué)不發(fā)生再吸附時(shí),脫附動(dòng)力學(xué)方程的一般式為令則N和TPD曲線高度成正比,同TPD曲線面積A成正比,見(jiàn)圖5a。則lnN∝lnh,ln∝lnA,式(1-17)表明,脫附速率和覆蓋度有關(guān)。第二十三頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日

第二十四頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.2.3脫附活化能分布與TPD曲線的關(guān)系吸附劑(含催化劑)表面不均勻主要表現(xiàn)在表面中心的能量有一定的分布,即表面中心的能量是不均一的,各部位的能量不同。不同能量中心在表面的分布情況很復(fù)雜,比較簡(jiǎn)單的情況比如表面上只有兩種不同的中心,兩種中心的能量強(qiáng)度相差懸殊,這時(shí)在TPD圖上顯示的是彼此分離的兩個(gè)峰。第二十五頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.2.3脫附活化能分布與TPD曲線的關(guān)系曲線1和曲線2對(duì)應(yīng)于均勻表面和簡(jiǎn)單不均勻表面;曲線3和曲線4都表示不均勻表面;大于0.8時(shí),Ed隨呈線性變化;后者小于0.2時(shí),Ed隨呈線性變化。曲線5和曲線6表示Ed隨連續(xù)變化,曲線5與曲線3相似;曲線6與曲線4相似;曲線7前半部分與(大的部分)與曲線3相似,后半部分(小的部分)與曲線4相似;曲線8前半部分與曲線4相似,后半部分與曲線3相似。第二十六頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.2.3脫附活化能分布與TPD曲線的關(guān)系圖7中曲線1呈現(xiàn)不對(duì)稱峰形,是n=1是均勻表面的特征峰形;曲線2表明Ed隨呈線性變化;曲線3,=0~0.8時(shí),Ed和無(wú)關(guān),=0.8~1.0時(shí),Ed隨的增加而減少;曲線4和曲線3相反,=0~0.2時(shí),Ed隨的增加而減少,=0.8~1.0時(shí),Ec和無(wú)關(guān);曲線5、曲線6和曲線3、曲線4相似,不同的是Ed隨的變化是連續(xù)的;曲線7、8和圖6中的曲線7、曲線8相對(duì)應(yīng),即對(duì)曲線7而言,在大時(shí),和圖6中的曲線3相似,小時(shí),和圖7中的曲線4相似;曲線8的前半部分和圖6的曲線4對(duì)應(yīng),后半部分和圖6的曲線6相對(duì)應(yīng)。第二十七頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日

第二十八頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.3發(fā)生層次擴(kuò)散的TPD過(guò)程所謂次層擴(kuò)散是指升溫過(guò)程中分子從表面到下一層的擴(kuò)散,對(duì)負(fù)載型金屬催化劑,金屬組分高度分散在載體到下一層金屬原子上。

rp為次層擴(kuò)散速率;rD為次層逆擴(kuò)散速率;為次層部位占有率;kp為次層擴(kuò)散速率常數(shù);kD為次層逆擴(kuò)散速率常數(shù)。第二十九頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.3發(fā)生層次擴(kuò)散的TPD過(guò)程

(1-18)右邊前兩項(xiàng)分別表示吸附速率和脫附速率,等于凈脫附速率,第3、4項(xiàng)分別表示脫附分子從表面滲透進(jìn)次層的速率和從次層擴(kuò)散回表面的速率。氣相中分子的濃度為(1-19)第三十頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日1.3發(fā)生層次擴(kuò)散的TPD過(guò)程次層上的物料衡算式為

(1-20)式中,M表示次層的部位數(shù)目與表面部位數(shù)目之比()。式(1-18)、(1-20)的邊界條件是

(1-21)第三十一頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日

第三十二頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日定性信息:1、吸附物種的數(shù)目2、吸附物種的強(qiáng)度3、活性位的數(shù)目4、脫附反應(yīng)級(jí)數(shù)5、表面能量分布優(yōu)點(diǎn):1、設(shè)備簡(jiǎn)單2、研究范圍大3、原位考察吸附分子和固體表面的反應(yīng)情況第三十三頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日

實(shí)驗(yàn)裝置和譜圖定性分析1、流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置2、真空實(shí)驗(yàn)裝置三部分組成:a、氣體凈化與切換系統(tǒng)

b、反應(yīng)和控溫單元

c、分析測(cè)量單元載氣:高純He或Ar;催化劑裝量:100mg左右;升溫速率:525K/min;監(jiān)測(cè)器:TCD和MS第三十四頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日流動(dòng)態(tài)TPD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)第三十五頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日真空TPD試驗(yàn)體系第三十六頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日工作壓力:10-3Pa,可以排除水分和空氣的干擾,較準(zhǔn)確的初始覆蓋度,一般采用MS作檢測(cè)器。TPD定性分析:1、脫附峰的數(shù)目表征吸附在固體物質(zhì)表面不同吸附強(qiáng)度吸附物質(zhì)的數(shù)目;2、峰面積表征脫附物種的相對(duì)數(shù)量;3、峰溫度表征脫附物種在固體物質(zhì)表面的吸附強(qiáng)度。第三十七頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日實(shí)驗(yàn)條件的選擇和對(duì)TPD的影響干擾因素:傳質(zhì)(擴(kuò)散)和再吸附的影響。6個(gè)參數(shù):1、載氣流速(或抽氣速率)2、反應(yīng)氣體/載氣的比例(TPR)3、升溫速率

4、催化劑顆粒大小

5、吸附(反應(yīng))管體積和幾何形狀

6、催化劑“體積/質(zhì)量”比第三十八頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日升溫速率的影響升溫速率增大,峰形變得尖銳;峰的相互重疊趨勢(shì)增加第三十九頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日TPD法研究催化劑的實(shí)例一、助劑對(duì)Pt/Al2O3

催化劑TPD影響a,Pt催化劑b,Pt-Au催化劑c,Pt-Re催化劑d,Pt-Re-Au催化劑e,Pt-Sn催化劑f,Pt-Ir-Al-Ce催化劑第四十頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日二、NH3、C2H4和1-C4H8-TPD法研究含硼分子篩的酸性堿性氣體脫附法是研究固體物質(zhì)酸性的常用的方法堿性:NH3>C2H4>1-C4H8第四十一頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日NH3是酸性的定量探針?lè)肿樱湮搅繉?duì)應(yīng)于B和Al元素取代的骨架數(shù)。438K峰所有樣品都有;D樣品(f)有一個(gè)635K小峰。第四十二頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日A和Na-D樣品沒(méi)有丁烯脫附丁烯的脫附量隨硼含量俱增A和Na-D,B1和B2沒(méi)有乙烯脫附峰。乙烯脫附量隨硼含量增加而增加。第四十三頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日C1和C2樣品對(duì)丁烯和乙烯吸附量大于Al和B的化學(xué)計(jì)量數(shù)。說(shuō)明烯烴在分子篩表面上發(fā)生了聚合。每個(gè)酸性位吸附5個(gè)烯烴。第四十四頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日脫出物中除原始吸附物外,還有其它物質(zhì),且相對(duì)分子質(zhì)量均大于乙烯,表明乙烯脫附過(guò)程中在催化劑表面上發(fā)生了聚合。第四十五頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日采用堿強(qiáng)度不同的吸附質(zhì),可以表征催化劑的表面酸位的種類(lèi)第四十六頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日2.程序升溫表面反應(yīng)程序升溫表面反應(yīng)(TPSR):在程序升溫過(guò)程中,在催化劑表面同時(shí)發(fā)生表面反應(yīng)和脫附。1、預(yù)處理后的催化劑在反應(yīng)條件下進(jìn)行吸附和反應(yīng),程序升溫使催化劑上吸附的各個(gè)表面物種邊反應(yīng)邊脫附出來(lái)。2、載氣為反應(yīng)物,程序升溫過(guò)程中,載氣(或載氣中某組成)與催化劑表面上反應(yīng)形成的某吸附物種一面反應(yīng)一面脫附。第四十七頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日一、研究反應(yīng)條件下的表面吸附態(tài).TPD與TPSR比較:一個(gè)的N2峰,峰位置和形狀明顯不同。830K峰形較寬。第四十八頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日

N2峰溫為500K,峰形窄。當(dāng)H2存在,產(chǎn)生NH、NH2中間體,并相互作用生成N2,所以,低溫下就有N2脫附無(wú)H2存在時(shí),解離的N原子結(jié)合而成,所以,高溫下才有N2脫附。第四十九頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日二、考察反應(yīng)機(jī)理1、飽和吸附CO的催化劑脈沖吸附H2至飽和。在He中

TPSR。CH4

出現(xiàn)在340oC,H2O與CH4同步;有CO和CO2脫附峰第五十頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日2、在25%H2/75%He中吸附CO,再在25%H2/75%He

中TPSR.225oC,CH4窄峰H2O峰兩個(gè),低溫與CH4相同;高溫峰從350oC開(kāi)始。150oC有一個(gè)寬的CO;無(wú)CO2峰第五十一頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日催化劑即使吸附飽和了CO,還能吸附大量的H2,CO和H2在兩個(gè)不同中心上,生成CO2時(shí),同時(shí)生成CH4。流動(dòng)H2中,以相同峰形生成了等量CH4和H2O。1、CO(g)CO(a)2、CO(a)C(a)+O(a)3、CO(a)+O(a)CO2(a)CO2(g)4、2H(a)+O(a)H2O(a)H2O(g)5、C(a)+4H(a)CH4(a)CH4(g)第五十二頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日3.TPR的理論TPR是一種等速升溫條件下的還原過(guò)程,和TPD類(lèi)似,在升溫過(guò)程中如果試樣發(fā)生還原、氣相中的氫氣濃度將隨溫度的變化而變化,把這種變化過(guò)程記錄下來(lái)就得到氫氣濃度隨溫度變化的TPR圖。一種純的金屬氧化物具有特定的還原溫度,所以可以用還原溫度作為氧化物的定性指標(biāo)。當(dāng)兩種氧化物混合在一起并在TPR過(guò)程中彼此不發(fā)生化學(xué)作用,則每一種氧化物仍保持自身的特征還原溫度不變,這種特征還原溫度和TPD一樣也用Tm表示。各種金屬催化劑多半做成負(fù)載型金屬催化劑,制備時(shí)把金屬的鹽類(lèi)做成溶液后浸到載體上,干燥后加熱使鹽類(lèi)分解成相應(yīng)的氧化物,在這個(gè)過(guò)程中氧化物可能和載體發(fā)生化學(xué)作用,所以其TPR峰將不同于純氧化物。金屬催化劑也可能是雙組分或多組分金屬組成,各金屬氧化物之間可能發(fā)生作用,所以雙金屬或多金屬催化劑的TPR圖也不同于單個(gè)金屬氧化物的TPR圖。第五十三頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日3.1TPR動(dòng)力學(xué)方程G+S→P反應(yīng)速率為其中S為還原后為還原固體的量。根據(jù)Arrhenius方程令dr/dt=0:

對(duì)1/Tm作圖,由直線斜率求出還原反應(yīng)活化能Er第五十四頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日3.2影響TPR動(dòng)力學(xué)方程的因素3.2.1一步還原過(guò)程其中是固體的還原程度(S/S0),S0是固體的初始量;c是沿著催化床層H2的平均濃度;Kc為速度常數(shù),f(a)為還原速度常數(shù)和還原度的關(guān)系;Φ(c)是還原速度和H2濃度的函數(shù)關(guān)系。還原過(guò)程的物料平衡式為:

第五十五頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日

說(shuō)明:增加,Tm向高溫移位,而TPR曲線樣式不變;改變P,使TPR曲線發(fā)生明顯的變化,當(dāng)P≥60后TPR圖明顯變形,高峰處出現(xiàn)平臺(tái)。當(dāng),H2全部消耗完(即c=0),TPR高溫峰出現(xiàn)平臺(tái)與此有關(guān),理論計(jì)算可知,還原過(guò)程中氫氣被消耗小于2/3才能保證TPR圖正常不變形。第五十六頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日3.2.2二步還原過(guò)程H2的物料衡算式第五十七頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日影響TPR的因素1、載氣流速:載氣流速增加,TM降低,從10ml/min增加到20ml/min,TM降低1530oC。2、催化劑重量:理論上TM不受影響。實(shí)際上,過(guò)多

TM升高,TPR峰數(shù)減少。一般取:50100mg。

3、升溫速率:升溫速率提高,TM升高,TPR峰重疊。升溫速率過(guò)低,時(shí)間太長(zhǎng),峰強(qiáng)度減弱。一般?。?/p>

520K/min。第五十八頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日機(jī)理:

MO(s)+H2(g)M(s)+H2O(g)1、成核模型首先形成金屬核,核變大和新核形成增加,反應(yīng)面增加,反應(yīng)速度加快。但核進(jìn)一步增加和擴(kuò)大,核間相互接觸,反應(yīng)面減小,反應(yīng)降低。2、球收縮模型開(kāi)始時(shí)界面最大,迅速成核,形成金屬膜層,隨后反應(yīng)界面變小,反應(yīng)速率不斷下降。第五十九頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日第六十頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日由于活性組分不同,有的氧化物容易還原,在TPR過(guò)程常常會(huì)遇到氫溢流現(xiàn)象。這種氫溢流現(xiàn)象很難避免,采用CO替代H2可以減少氫溢流。氫溢流第六十一頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日CuO/CeO2催化劑的氧物種和Redox性能5%,兩個(gè)TPR峰;5%,第三個(gè)TPR峰出現(xiàn),分別由、和表示。和不變,峰溫和強(qiáng)度隨負(fù)載量劇增。XRD:5%后出現(xiàn)晶相CuO。和峰為小晶粒CuO,高分散與CeO2相互作用大。是大晶粒CuO,還原溫度高。第六十二頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日20oC5%O2再氧化后,只有峰;隨著再氧化溫度提高,和峰依次出現(xiàn)。說(shuō)明三個(gè)銅物種的再氧化次序:>>第六十三頁(yè),共七十頁(yè),2022年,8月28日PdO/CeO2催化劑的還原性能純PdO:

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