nano-MOy/3DOM La1-xSrxMO3 (M = Cr, Mn, Co)的可控制备及其氧化VOCs的催化性能研究

挥发性有机物(VOCs)污染大气环境。催化法是有效消除VOCs的途径，催化剂是实现该过程的核心。过渡金属氧化物nano-MOy纳米粒子和具有氧缺陷的钙钛矿型氧化物(ABO3) 对有机物氧化显示催化活性，其中以nano-MOy和La1-xSrxMO3 (M = Cr, Mn, Co)的为最佳。传统方法难以获得高比表面积ABO3。但借助硬模板（如PMMA等纳微米球）则可制备出高比表面积三维有序大孔或介孔(3DOM) ABO3。nano-MOy和La1-xSrxMO3中的M离子含多种价态且二者之间存在协同作用，有利于提高催化活性。本课题拟创建nano-MOy/3DOM La1-xSrxMO3可控制备技术，揭示催化剂物化性质和催化反应机制，建立对典型VOCs (如甲苯等)氧化反应动力学方程。该研究结果可为新型高性能催化材料设计提供指南，而新型高效催化剂应用于消除VOCs污染物则可改善大气环境质量。

经过研究具有介孔或纳米孔孔壁的三维有序大孔（3DOM）钙钛矿型氧化物的可控制备、表征及对典型挥发性有机物（VOC）和CO氧化反应的催化性能，得到如下研究成果：（1）以聚乙二醇、甲醇和/或水的混合物为溶剂，以规整排列的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球为硬模板，以柠檬酸、酒石酸、赖氨酸或三嵌段共聚物P123为软模板，采用两步焙烧法（即先在氮气中焙烧，再在空气中焙烧）制得具有介孔或纳米孔孔壁的3DOM La1-xSrxMO3 (x = 0, 0.4; M = Mn, Co, Cr)、链条状有序大孔LaMnO3、单分散空心球状LaMnO3和LaCoO3及实心球状Mn2O3和Co3O4。硬模板和溶剂组成对3DOM、链条状或空/实心球状结构的形成起到了关键作用。加入软模板有利于形成介孔或纳米孔结构。（2）在相同反应条件下，具有介孔孔壁的3DOM LaMnO3（39 m2/g）比体相LaMnO3（7 m2/g）表现出更好的催化氧化甲苯的活性，这主要跟其具有发达的3DOM和介孔结构以及较高的比表面积以及反应物或产物分子更容易吸附、活化和扩散有关；空心球状LaMO3和实心球状MOx与相应纳米粒子相比，由于具有较高比表面积和吸附氧物种及较好低温还原性能，对CO和甲苯氧化也表现出更高催化活性。（3）采用一步法（即在制备3DOM载体时同时加入金属氧化物前驱体），制得x wt% MnOy/3DOM LaMnO3 (x = 0-16)和x wt% Co3O4/3DOM La0.6Sr0.4CoO3 (x = 0-10)催化剂。由于MOy和3DOM La1-xSrxMO3（M = Mn, Co）中的变价离子之间可能存在协同作用，使得它们均对甲苯和CO氧化反应表现出较高催化活性。（4）以聚乙烯醇为保护剂，采用鼓泡法制得x wt% Au/链条状大孔LaMnO3（x = 0-4.9）和x wt% Au/3DOM La0.6Sr0.4MnO3（x = 0-7.9）催化剂。在相同反应条件下，4.9 wt% Au/链条状大孔LaMnO3和7.9 wt% Au/3DOM La0.6Sr0.4MnO3表现出更好催化氧化甲苯和CO的活性，这可能与其具有较高吸附氧物种浓度、更好低温还原性能以及Au纳米颗粒与载体之间强相互作用有关。