光诱导石墨烯等离子共振改善二氧化锰热催化氧化甲醛性能及机制研究

Formaldehyde is one of the main gaseous pollutants in indoor air, which is harmful to people's health. It has become a hot topic to develop efficient formaldehyde removal materials in indoor air purification field. The applicant recently found birnessite-type manganese oxides (i.e. δ-MnO2) could decompose low-level indoor formaldehyde at room temperature. A method was proposed to increase the formaldehyde catalytic activity of birneesite-type MnO2 on the basics of previous investigation. In this project, graphene-based MnO2 hybrid was prepared and investigated for catalytic oxidation of HCHO under light irradiation. The catalytic activity of graphene-based MnO2 hybrid for formaldehyde oxidation was enhanced due to the surface plasmon resonance effect of graphene under near infrared radiation. We will design and fabricate good interface of graphene-based MnO2 hybrid through the structure modification of MnO2 (crystal facet control, doping, fabrication of MnO2 quantum dot) in order to regulate surface electronic state via the interface injection of hot electrons. In addition, relationship between interface structure and the catalytic activity was clarified. This result demonstrates a novel approach to efficiently use the inexhaustible solar energy via the assistance of graphene surface plasmon effect, thus, providing a new thought to improve the catalytic activity of birnessite-type MnO2.

甲醛是室内环境中的主要污染物之一，严重影响人体健康。研究高效去除甲醛的方法已经成为室内空气领域的研究热点。申请人前期的研究发现水钠锰矿二氧化锰（δ-MnO2）可以在室温下分解室内空气中低浓度的甲醛。本项目根据前期的认识，提出了一种增强水钠锰矿对甲醛催化氧化活性的方法。该方法基于石墨烯的表面等离子共振效应，将水钠锰矿与石墨烯复合，利用光照下石墨烯的表面等离子共振的热效应改善二氧化锰的热催化氧化甲醛性能。通过对水钠锰矿结构调控（晶面控制、掺杂、量子点制备），有效设计与构筑良好的石墨烯/二氧化锰界面，实现在微观层面水钠锰矿表面电子的调控并阐明光照条件下石墨烯/二氧化锰界面处热电子的产生及转移机制。本项目利用光照条件下石墨烯的表面等离子共振特性，改善了复合材料的光热转换特性，对于提高二氧化锰的热催化性能提供了一种新的思路。

碳材料具有优异的光热转换特性，将其引入传统热催化体系可显著增强材料的热催化活性。石墨烯具有稳定的二维结构，方便进行材料的复合及界面调控。本项目首先采用简单的机械研磨法成功实现了石墨烯与二氧化锰的复合。光照条件下，石墨烯的引入大大提高了复合材料表面的温度，同时界面处发生了轨道杂化导致电子局域化和扩展的派(π)共轭体系，提高了MnO2表面的电荷密度，促进了氧气分子的活化。两者协同促进了复合体系的热催化性能。直接对MnO2结构调控，亦可强化其光热催化特性。W掺杂MnO2后可增加MnO2表面的氧缺陷，同时强化光激发载流子与O2的耦合，促进氧气分子的活化。此外，从提高能量利用效率的角度出发，本项目成功制备多级孔结构的MnO2光热海绵，通过增加光的散射和反射次数提高光能的吸收，提高光致热转化效率。为了寻找成本更低的碳材料作为光热转换的载体，研究发现松木经过NaOH和Na2SO3溶液预处理，900°C惰性气氛活化后具有优异的光致热转换特性，在氙灯光源的照射下（3400W/m2），原始的松木的表面温度为45°C，改性后的松木温度升高至173°C，在相同测试条件下比传统的椰壳活性碳高56°C。综上所述，该项目提供了一种增强传统热催化剂催化性能的新方法，同时对于理解光热催化中界面热电子的产生及转移机制具有一定指导意义。