碱金属-贵金属/多级孔分子筛双组分催化剂构建及其对OVOCs的活化机理与次生污染控制

The environment-friendly elimination of industrial volatile organic compounds (VOCs) is a hot research topic in the field of air pollution control, and catalytic oxidation is one of the most important technologies for VOC removal. Industrial oxygenated VOCs (OVOCs) emitted from pharmacy, semiconductor, and package printing are selected in this project. Approaches for controllable synthesis of alkali metal-noble metal/hierarchical molecular sieve bicomponent materials which combined with the advantages of alkali metal, nanosize noble metal and hierarchical porous molecular sieve in catalytic reaction will be investigated and developed. The electronic transfer characteristic, oxygen transfer and activation feature, and physicochemical properties regulation rule of synthesized composite materials will be revealed by density functional theory (DFT) calculation and advanced characterization techniques, and the role of catalyst acid/basic sites and oxidation kinetics and activation mechanism of OVOCs will be illuminated from molecular level by using in situ characterization and surface reaction techniques and simulated calculation. Based on the above results, the adsorption and activation rules and interaction mechanism of multiple OVOCs will be determined. The efficient control of reaction byproducts will be achieved through physicochemical property and reaction condition optimization. The oxidation activity, product selectivity, hydrothermal stability, and coke resistance of synthesized catalysts will be studied systematically under simulated operation conditions in order to reveal the optimization mechanism of catalyst performance. The research will provide new ideas, new materials, and scientific basis for industrial VOC control, which have important theoretical significance and practical value.

工业挥发性有机物（VOCs）的环境友好消除是大气污染控制领域的研究热点，催化氧化是VOCs控制的主流技术之一。项目拟针对制药、电子制造、包装印刷等重点行业挥发性含氧有机物（OVOCs）的控制，结合碱金属、纳米贵金属及多级孔分子筛在催化反应中的优势，研究和发展碱金属-贵金属/多级孔分子筛双组分高效催化剂的可控制备方法。采用DFT计算和先进表征手段揭示材料电子传递特征、氧迁移转化过程和物化性质调控规律，采用原位/表面反应技术和模拟计算从分子层面阐明催化剂酸/碱位的作用、OVOCs氧化动力学与活化转化机理，在此基础上探明多组分OVOCs的吸附活化行为与分子间作用机制，通过材料物化性质和反应条件优化实现反应次生污染的高效控制。研究模拟工况下催化剂的活性、产物选择性、水热稳定性、抗积碳与抗烧结能力，揭示其性能优化机制。研究将为VOCs控制提供新思路、新材料和科学依据，具有重要的理论意义和实际价值。

涂料、包装印刷等重点行业排放含氧挥发性有机化合物（OVOCs）对大气环境造成了严重危害，催化氧化技术是OVOCs控制的有效途径之一。采用“模板法”和“水热法”制备出高比表面积SiO2纳米棒，并通过嫁接法及离子交换法对其进行改性，发现其可在170 °C下实现甲乙酮的完全去除（活化能低至34.7 kJ·mol-1）。Brønsted酸性位点促进贵金属活性相的分散与稳定，K掺杂平衡载体电负性并增强了表面吸附氧的迁移能力。将双金属活性位点（Au、K）均匀负载于多级孔ZSM-5。Au0.5Kx/ZSM-5具有优异的丙酮催化活性、CO2选择性及反应稳定性。Au与K间具有显著的协同作用，K的掺杂引入大量的表面羟基物质，有效促进了丙酮的氧化，同时对Au起锚定作用避免其团聚失活。进一步采用不同合成方法制备了系列Au0.5K0.7/PVP-ZSM-5，发现K+具有明显的电荷转移平衡能力，将Au物种的电子价态调变至不稳定的缺电子态，具有高密度电子云的K+与Au+结合使得丙酮分子中羰基的活化更容易。率先构筑出多孔层状Pd@Co/MFI多级孔材料，Pd0.12@Co0.25/MFI催化剂表现出优异的乙酸乙酯低温氧化活性和稳定性，层状Co包覆可提升Pd中心与Co原子的配位率，Co引入产生的丰富Brønsted酸位促进了Pd中心分散。研究结果以第一/通讯作者在Chemical Reviews、Angewandte Chemie International Edition、Nature Communications、Environmental Science & Technology、ACS Catalysis等刊物上以通讯作者发表SCI论文52篇，申请国家发明专利16项（授权12项），培养和引进从事相关研究的青年人才14名；主编出版《挥发性有机污染物催化反应过程与控制技术》教材1部，参编《活性焦烟气净化关键技术与工程应用》书籍1部，获环境保护科学技术一等奖（2022，第2）、中华环保联合会科技进步特等奖（2021，第2）、中国环境科学学会青年科学家奖（2022）、陕西省环境保护青年科技奖（2022）等多个奖项。