非贵金属催化剂低温/室温催化氧化甲醛研究

Formaldehyde (HCHO) is one of the most serious indoor air pollutants, and HCHO pollution existed in almost all of the newly furnished houses. Therefore, it is of great interest to develop new materials and new technology to effectively purify indoor HCHO for improving people’s living condition. We previously developed a perfect Pt/TiO2 catalyst for HCHO oxidation at room temperature, and also we developed a series of air cleaners with this catalyst. However, high price of these air cleaners due to the application of expensive Pt catalyst still limits its widespread application. Based on the understanding of the reaction mechanism of HCHO oxidation and aimed to develop high active non-noble metal catalyst for HCHO at ambient temperature and also to clarify its catalysis principle, the current work will first select the Ag, Cu, Fe, Co components, which are active for the different steps of the catalytic oxidation of HCHO at room temperature, respectively, to prepare the multi-component composite catalyst. The influences of the ratio among components, particle size, morphology, pore structure, etc, on catalytic performances will be clearly investigated. And then the series catalysts will be characterized by various methods with advanced instruments to elucidate the structure-activity relationships of the catalyst and also to reveal the key factor for non-noble metal catalyst to break through the rate-determining step towards the ambient HCHO destruction. The current study will provide a deep scientific insight and technical reserve for the development of highly efficient non-precious metal catalyst with for catalytic oxidation of HCHO at room temperature.

甲醛是我国室内环境中最严重的污染物，研究新型高效甲醛净化材料和技术，有效消除室内甲醛污染具有重要的环境意义。申请人前期工作研制出室温催化氧化甲醛的Pt/TiO2催化剂，并实现了其产业化应用，但贵金属Pt的高价位使相关产品的广泛应用受得限制。本申请围绕着更高低温/室温催化氧化甲醛活性的非贵金属催化剂的制备及其催化作用规律的认识，基于前期明确的甲醛催化氧化反应机理，拟选取对甲醛催化氧化不同阶段具有高效室温催化氧化性能的Ag，Cu，Fe，Co等组分，通过不同活性组分之间的相互协调、匹配或复合,制备系列多组分非贵金属催化剂，系统研究不同参数如配比、价态、粒径、形貌、孔结构等对催化剂性能的影响规律，并通过先进手段表征，阐明催化剂结构和性能之间的构效关系，揭示非贵金属催化剂突破反应决速步骤实现甲醛低温或室温氧化的关键因素，为创制新型、高效常温催化氧化甲醛的非贵金属催化材料提供科学依据和技术储备。

甲醛是我国室内环境中最严重的污染物，研究新型高效甲醛净化材料、技术和产品，有效消除室内甲醛污染具有重要的意义。贵金属催化剂具有优异的室温催化氧化甲醛性能，但其高成本使相关产品的广泛应用受得限制。本项目开展了非贵金属催化剂低温催化氧化甲醛系列研究，重点开发高性能的低温/室温氧化甲醛催化剂，并深入明确甲醛催化氧化的反应机理，取得如下重要进展：1）发现碱金属K对Ag/Al2O3催化剂低温催化氧化甲醛具有显著促进作用，可在65℃完全去除110 ppm的HCHO，其主要促进机制是K促进了Ag对O的吸附和解离活化；2）研究发现水汽存在可显著促进DOM向甲酸盐的转化，理论计算表明DOM中的一个氢转移至表面OH并形成甲酸盐的反应具有最低的能垒，具有热力学和动力学的双重可行性；3）研究发现载体类型对Ru基催化剂低温氧化甲醛具有显著影响，Ru/CeO2催化剂具有最优的催化氧化甲醛的活性，能够在90℃左右完全去除130 ppm的甲醛，主要是因为Ru与CeO2之间具有强相互作用，使Ru在CeO2上具有分散度高、尺寸小及活化氧能力强等特点；4）发现Cu-TiO2催化剂具有优异的可见光催化氧化甲醛性能，在室温条件下140 min内可将250 ppm甲醛完全净化为H2O和CO2，同时发现可见光可促进DOM物种向甲酸盐物种的快速转化，甲酸盐的分解是整个反应的速控步骤，‧OH而不是‧O2-在甲酸盐的分解过程发挥了主要作用。通过本项目研究，研制了多种低温催化氧化甲醛的非贵金属催化剂和室温可见光催化氧化甲醛催化剂，并阐明了催化剂结构和性能之间的构效关系，揭示了非贵金属催化剂突破反应决速步骤实现甲醛室温氧化的关键因素，为创制新型、高效催化氧化甲醛的非贵金属催化材料提供了科学依据和技术储备。