CeO2-TiO2复合氧化物的形貌调控及其负载的Au催化剂甲醛催化氧化性能研究

Low temperature catalytic oxidation is an economic and effective method for the removal of indoor formaldehyde and other volatile organic compounds (VOC). The key point of this method application is to development a catalyst which can efficiently decompose formaldehyde for a long-term at room temperature. In this project, selecting Au/CeO2-TiO2 as the target catalyst, the morphology controllable synthesis of CeO2-TiO2 and the structure-activity relationship between CeO2-TiO2 support and Au/CeO2-TiO2 catalyst will also be investigated. Firstly, CeO2-TiO2 composite oxides with different morphologies and uniform size will be prepared by hydrothermal and co-precipitation methods, and systemically studied their growth mechanism. Then, with the help of active planes and abundant adsorption sites for active component exposed by above mentioned CeO2-TiO2 composite oxides, Au nanoparticles could be successfully supported on CeO2-TiO2 composite oxides surface by colloidal deposition method. The obtained Au/CeO2-TiO2 catalyst opened specific planes owns higher density of active sites, which is benefit for regulating the catalytic reaction pathways, improving the catalytic performance and establishment of clear morphology structure-activity relationship between CeO2-TiO2 and Au/CeO2-TiO2 catalyst in formaldehyde catalytic oxidation reaction. Finally, the reaction mechanism and kinetic constant will be determined by studying of the Au/CeO2-TiO2 catalyst kinetic behavior and detailed reaction process. The implementation of this project may provide us some new thoughts to the design and preparation of novel and efficient catalysts in catalytic oxidation of formaldehyde.

催化氧化是一种脱除室内甲醛等有机挥发物经济有效的方法，此法应用的关键是开发室温下维持甲醛长期、高效分解的催化剂。本项目以Au/CeO2-TiO2催化剂为研究对象，以载体CeO2-TiO2的形貌调控及其形貌、结构与Au/CeO2-TiO2催化性能之间的构-效关系为研究主题。首先，采用水热法和共沉淀法制备不同形貌且尺寸均一的CeO2-TiO2，探明不同形貌CeO2-TiO2的生长机理。然后，利用不同形貌CeO2-TiO2暴露的特定晶面及活性组分吸附位以胶体沉淀法担载纳米Au粒子，以此提高活性位密度，调控催化反应途径，提升催化性能；建立CeO2-TiO2的形貌、结构与Au/CeO2-TiO2催化剂在甲醛催化氧化反应中的构-效关系。最后，通过对Au/CeO2-TiO2催化剂反应动力学和反应历程的研究，确定反应动力学常数，提出反应机理。本项目的开展为新型高效甲醛催化氧化催化剂的设计和制备提供思路。

甲醛是最严重的室内空气污染物之一，主要来源于广泛使用的建筑和装修材料，释放期长达3-15年。长期暴露在甚至只含有极低浓度甲醛的空气中就会引起癌症及免疫功能异常等多种健康问题。在众多治理甲醛污染的方法中，催化氧化法是一种脱除室内甲醛等有机挥发物经济有效的方法，此法应用的关键是开发室温下维持甲醛长期、高效分解的催化剂。本项目通过调控载体CeO2-TiO2复合氧化物的形貌来获取高效的甲醛催化氧化脱除Au/CeO2-TiO2催化剂，并通过XRD、SEM、TEM、H2-TPR及XPS等表征技术揭示载体的形貌、结构与Au催化剂催化性能之间的关系。其主要研究结论如下：（1）通过调变合成条件、制备参数合成了纳米颗粒、纳米棒、3D花朵状、微纳米捆束状等多种形貌的CeO2-TiO2复合氧化物，初步探索了花朵状CeO2-TiO2复合氧化物的生长机理，研究发现CeO2-TiO2复合氧化物经历了最初无定型颗粒的快速成核和之后的无定型颗粒聚集结晶两阶段生长过程。KOH的浓度能够改变成核和生长速率，最终调控产物的形貌。以花朵状CeO2-TiO2复合氧化物为载体制得的Au/CeO2-TiO2催化剂催化性能较好，60 oC时甲醛转化率可达100%。XRD、SEM、TEM、H2-TPR及XPS分析结果表明，CeO2-TiO2复合氧化物中CeO2和TiO2相互掺杂形成了Ce-Ti-O固溶体，并产生了大量氧空位，促进了Au的分散和落位，提升了晶格氧的流动性，从而提升了催化剂的氧化还原能力和催化性能；另外，花朵状CeO2-TiO2复合氧化物独特的三维结构还能阻止Au颗粒的团聚，使得Au/CeO2-TiO2催化剂具有良好的热稳定性。（2）在CeO2-TiO2复合氧化物的制备基础上，用锰元素代替钛元素对CeO2进行掺杂，采用水热合成法制得了船形、扁球形及纳米片CeO2-MnOx复合氧化物。负载Au之后，扁球形Au/CeO2-MnOx催化剂的甲醛转化率在80 oC时可达100%。结合H2-TPR、拉曼光谱及XPS谱图分析结果可知，以锰元素对CeO2进行掺杂也能够促进其表面氧空位的形成，提高晶格氧的流动性。其中，扁球形CeO2-MnOx复合氧化物催化剂的氧空位、Ce3+含量及表面吸附活性氧物种最多，其催化活性最好。