熔融鹽法製備高效消除揮發性有機物催化劑的研究

《熔融鹽法製備高效消除揮發性有機物催化劑的研究》是依託北京工業大學，由鄧積光擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：熔融鹽法製備高效消除揮發性有機物催化劑的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄧積光
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

大部分揮發性有機物（VOC）污染大氣環境，危害人身健康。催化氧化法是消除VOC的有效途徑之一，高效低廉催化劑的研發是實現該過程的關鍵。熔融鹽法是一種製備納米材料的新方法，具有環境友好、工藝簡單和易於實現工業化生產等優點，但尚未用於製備負載型貴金屬催化劑的研究。本課題擬以Ag/MnOy催化劑為研究主體，系統研究熔融鹽種類及組成、前驅體、熔融鹽與前驅體的質量比、焙燒溫度和保溫時間等製備條件對原位負載製得的Ag/MnOy催化劑物化性質（例如Ag納米顆粒的落位、粒徑和表面缺陷，MnOy的形貌、晶面和晶相，特別是Ag和MnOy界面匹配和相互作用力）的影響，評價其對VOC氧化的催化性能，揭示構效關係，探明Ag/MnOy對VOC氧化的催化作用機制，建立反應動力學模型。研究結果可為發展高效消除VOC催化劑的熔融鹽製備技術奠定紮實的實驗和理論基礎。

結題摘要

揮發性有機污染物（VOC）對大氣環境和人身健康有嚴重危害。催化氧化法是控制VOC排放的有效方法之一，高活性、高穩定性而且價格廉價的催化劑的研發是該方法的核心問題。在本研究中，我們發展了原位熔融鹽法製備Mn2O3納米線負載超低含量Ag納米催化劑的新方法。與浸漬法和PVA保護的還原法相比，原位熔融鹽法有利於製得Ag物種高度分散在Mn2O3納米線表面的催化劑。在甲苯/氧氣摩爾比為1/400和空速為40000 mL/(g h)的反應條件下，所得0.13 wt% Ag/Mn2O3表現出更高的消除甲苯的催化活性。該催化劑在220 oC即可將甲苯完全氧化為CO2 和 H2O。與我們之前研究的負載型Au或AuPd合金納米催化劑相比，甲苯在0.13 wt% Ag/Mn2O3單位質量貴金屬上的消耗速率是之前催化劑的數十倍。我們認為Ag物種在Mn2O3納米線上的高度分散和良好的低溫還原能力是促使其表現出優異催化性能的主要原因。Ag負載量對Ag/Mn2O3的活性有重要影響；當Ag負載量約為0.06 wt%時，催化劑呈現出較高的催化活性，T50%和T90%分別為170 和 205 oC。Ag納米顆粒和載體Mn2O3納米線的界面是甲苯完全氧化反應的主要活性位。雖然0.06 wt% Ag/Mn2O3對甲苯完全氧化反應表現出很高的催化活性，但其穩定性很差，催化活性會迅速失活。我們認為貴金屬納米顆粒燒結長大、表面積碳、載體晶相發生改變或催化劑表面組成發生改變等因素與0.06 wt% Ag/Mn2O3的迅速失活沒有明顯關聯，而主要是由於Ag/Mn2O3在較低的溫度下，難以迅速將反應氣中O2分子轉變成活性晶格氧，因此反應消耗掉的活性晶格氧物種難以及時得到補充，從而導致催化劑的迅速失活。我們發現適量Ce摻雜可顯著改善0.06 wt% Ag/Mn2O3催化消除甲苯的穩定性，主要是由於氣相中的O2分子能夠在CeO2表面氧空位處發生迅速的吸附和活化，而且由於Ag和CeO2均勻分散在載體Mn2O3納米線上，在CeO2表面氧空位中活化後的氧物種能夠迅速遷移至反應活性位Ag-Mn2O3界面，及時補充消耗掉的活性晶格氧物種，從而顯著提高催化劑催化消除甲苯的穩定性。我們認為高活性和高穩定性的0.63 wt% CeO2-0.06 wt% Ag/Mn2O3納米催化劑在催化淨化VOCs領域中具有非常好的套用潛力。