低贵金属含量室温甲醛分解催化材料原位制备与机理研究

The design and fabrication of highly efficient composite catalysts for HCHO removal at room temperature are one of indoor air purification research hotspots. Currently, the high cost and relatively low activity limit the wide application of the catalysts for room-temperature removal of HCHO. On basis of our previous investigations of room-temperature removal of HCHO, this project will focus on the fabrication and room-temperature HCHO removal performance of composite catalysts which consist of hierarchical transition metal oxide in-situ supported low-content noble metal (or non-noble metal) and the same transition metal as that of the support. The transition metal , on one hand, can greatly decrease the cost of the composite catalyst due to a small amount of noble metal or no noble metal used; on the other hand, the transition metal is expected to enhance the activity and anti-poisoning performance of the noble metal due to a bi-functional effect. The composition-morphology-surface property-performance intrinsic relationship of the composite catalysts will be carefully studied and discussed. The design principle and structure-function relationship of composite catalysts will be revealed. The mechanism of room-temperature decomposition of HCHO, and synergistic function and control principle of the composite catalysts will be studied and explained. This work will provide new insights into the design of novel materials and the development of new technology for room-temperature removal of HCHO.

高效室温去除甲醛催化材料的设计与可控制备是室内空气净化领域的研究热点。针对当前室温催化氧化甲醛方法中贵金属含量较高（约1wt%），催化剂活性有待进一步提高等问题，结合我们的前期工作基础和研究积累，本项目拟开展分级多孔过渡金属氧化物原位负载低含量（或不含）贵金属和与载体金属相同的过渡金属的室温去除甲醛复合材料的制备及性能的研究。拟制备的复合催化剂由于使用少量贵金属（或不含贵金属）而降低成本，还可望通过过渡金属的双功能机制增强贵金属的活性和抗毒化能力。研究过渡金属氧化物负载贵金属/过渡金属复合催化剂的组成、形貌、表面化学性质与室温去除甲醛活性间的内在关系；揭示低含量（或无）贵金属复合催化剂微结构-表面化学性质-性能的构效关系和结构设计原理，阐明甲醛室温催化分解过程的微观机理、协同作用和调控规律。本工作将为开发高效且有应用前景的室温去除甲醛新材料和新技术提供思路。

为了进一步提高室温催化氧化甲醛方法中的负载贵金属复合催化剂活性，本项目研究了过渡金属氧化物载体组成、微观形貌和表面化学性质等对低含量贵金属复合催化剂室温去除甲醛活性的影响规律及催化剂组份间的协同作用和甲醛去除的可能机理。主要研究成果：（1）为了充分发挥还原性过渡金属氧化物和丰富表面羟基物质的优势，我们设计并制备了含有丰富表面羟基/还原性过渡金属氧化物载体负载低含量贵金属催化材料，例如AlOOH/CeO2载体负载Pt复合催化剂（Pt/AlOOH-CeO2）和氧化石墨烯（GO）/Fe2O3纳米片负载Pt复合催化剂（Pt/GOFe）。所获得的Pt/AlOOH-CeO2兼具了AlOOH丰富表面羟基和CeO2优异的贮氧功能的优势，显示了增强的室温催化分解甲醛活性。含有丰富含氧官能团的GO能明显增强六边形Fe2O3纳米片负载Pt催化剂室温去除甲醛的活性；二维片状形貌有利于Fe2O3与GO间电荷的快速转移，从而也能提高催化剂活性。（2）对还原性过渡金属氧化物载体负载低含量贵金属复合材料微结构和表面化学性质的调控，对比研究了其对室温去除甲醛活性的影响。例如，采用微波水热-化学还原法制备了Co3O4纳米棒负载Pt催化剂（Pt/Co3O4）。一维纳米棒状结构及Na+的存在是Pt/Co3O4催化性能提高的主要原因。发现适量Al/Mg比例的镁铝滑石(Mg-Al HT)/AlOOH负载Pt复合催化剂显示出比Pt/AlOOH更高的室温去除甲醛活性，这与催化剂中相对较多和活性较高的表面活性氧物种及Mg-Al HT的加入而导致催化剂表面存在大量弱碱中心有关。（3）研究了双金属氧化物载体负载低含量Pt复合催化剂室温催化氧化甲醛的性能及可能机理。例如，具有还原性的Ni元素和水滑石中所含的丰富吸附水能增强分级花状结构的层状双金属镍铝水滑石负载Pt复合催化剂的室温催化氧化甲醛活性。此外，研究发现具有还原性的双金属氧化物NiMoO4负载Pt催化剂的高活性与其含有丰富的表面羟基及由于Pt活性中心同时与Ni和Mo相互作用而具有强氧化能力有关。本研究成果将为新型高效室温催化分解甲醛催化材料的设计和制备及甲醛去除机理提供一定的实验和理论依据。