分级孔道结构光-热协同催化剂的构建及其降解石油炼化VOCs的研究

This project aims to improve the activity of synergetic photo-thermocatalyst for VOCs by modifying its structures: Improve both the adsorption of VOCs and the mass-transfer efficiency by forming macro- and meso-porous; Improve its hydrophobicity and lipophilicity by fluoridation (vulcanization) and thus promote both the adsorption of VOCs and desorption of degradation products (H2O和CO2); Shorten the transfer distance of superoxide radicals and activated VOCs molecules from the photocatalyst to the thermocatalyst. In theory research, this project focuses on exploring the mechanism of synergistic effect between thermocatalysis and photocatalysis in VOCs degradation, revealing the degradation mechanism of VOCs in the process of photo-thermocatalysis and clarifying the degradation pathway of VOCs and its reaction dynamic. In application research, this study aims to optimize the technical parameters of VOCs degradation and find out the method of solving catalyst deactivation. We hope that this study can provide experiences and references for the VOCs treatment of petroleum refining industry.

本项目拟通过光-热协同催化剂的结构改性，提高其降解VOCs活性：通过大孔、介孔分级孔道结构，促进VOCs的吸附和传质效率，并增大比表面积；通过孔道表面的氟化改性增加其亲油疏水特性，促进VOCs的吸附并加速反应产物H2O和CO2的脱附；通过在分级结构孔道的骨架和表面镶嵌光催化剂纳米粒子，缩短超氧自由基和活化的VOCs分子从光催化剂向热催化剂的迁移距离。在理论研究上，探明光-热协同催化降解VOCs的机理，阐明VOCs的降解历程和反应动力学，为光-热协同催化的理论研究和高效催化剂设计提供借鉴。在应用研究上：明确该催化剂优化VOCs降解的工艺参数，找出催化剂失活的原因和活化方法，为光-热协同催化剂在石油炼化VOCs治理中的应用提供借鉴。

本项目主要进行了以下研究工作：（1）构建了具有大孔和介孔分级结构的光热催化材料CexMn1-xOy、CexCo1-xOy和TixMn1-xOy，系统研究了两种金属比例以及反蛋白石结构对催化降解典型VOCs甲苯活性的影响，探索了光热催化氧化甲苯的机理；（2）分别在Ce0.2Mn0.8Oy孔道中负载贵金属Pt和光催化剂，制备了光热协同催化材料Pt/Ce0.2Mn0.8Oy、Bi4Ti3O12/Ce0.2Mn0.8Oy、SrTiO3/Ce0.2Mn0.8Oy和NiCo2O4/Ce0.2Mn0.8Oy，系统研究了Pt和光催化剂负载量对光热催化降解甲苯活性的影响，阐明了光热协同降解VOCs的机理；（3）基于半导体晶面异质结，构建了的光热协同催化剂CdS-Au-BiVO4-MnOx和CdS-Au-BiOCl-MnOx，实现了太阳光下甲苯的高效降解，其原因在于光催化产生的活性物种不仅可以活化甲苯，而且可以加速MnOx晶格氧和氧空位之间的循环转换；我们还制备了基于晶面异质结的光催化剂BiVO4-Ag-AgBr、BiOCl-Ag-AgBr、SnS2-Au-CdS和Au-BiOBr-Co3O4，探索了其拓展可见光吸收及提高电子和空穴分离效率的机制；（4）构建了光热协同催化剂NiCo2O4/g-C3N4，探索了其在太阳光下光热协同降解甲苯的机理；制备了离子共振（SPR）复合材料MS@AgBr-AgCl/Ag、Au-g-C3N4-BiOI和Au(S)- TiO2(R)，研究了其在可见和红外光下降解污染物剂杀菌的机制；通过构建Au/P25和Au@SiO2/P25体系，探索了贵金属/半导体SPR体系的能量传输机制。本项目的研究结果为新型光热协同催化材料的构建及其在VOCs等污染物治理中的应用提供了参考。