典型VOCs氧化金催化剂的生物还原制备、构效关系与作用机制研究

The typical volatile organic compounds (VOCs) such as benzene, toluene, xylene etc. in the atmosphere pose a serious threat on human health and the environment, the catalytic oxidation is considered to be the most promising method for removal of VOCs. In this project, supported gold catalysts will be prepared on the basis of green bioreduction method, towards oxidation of benzene, toluene, xylene, etc. It aims at understanding process principle underlying the preparation of supported gold catalysts through the bioreduction. The combination mechanism of porous support and biomolecules-protected gold nanoparticles during the preparation will be elucidated. And structure-activity relationship of the gold catalyst will be thoroughly studied. Furthermore, in-depth study on reaction mechanism of catalytic oxidation of typical VOCs in the presence of gold catalysts will be conducted. In addition, an approach to the decrease of catalytic reaction temperature will be obtained. By combining nanotechnology, biotechnology, and environmental engineering, a new alternative method to prepare gold catalysts for oxidation of VOCs is firstly proposed, which is significantly innovative and has important applications in catalysis.

大气中苯、甲苯、二甲苯等典型的挥发性有机化合物（VOCs）对人类健康和地球环境构成了严重的威胁，催化氧化法被认为是最具发展前景的VOCs去除方法。本项目基于绿色的生物还原法制备负载型金催化剂，将所得催化剂用于苯、甲苯、二甲苯等的氧化反应，旨在认识基于生物还原法制备负载型金催化剂的过程原理，揭示催化剂制备过程中多孔结构载体与生物分子保护的金纳米颗粒之间的结合机制，认识金催化剂结构与催化性能的构效关系，深入研究基于金催化的典型VOCs氧化反应机理，寻求降低催化反应温度的有效方法，为基于生物还原法的VOCs氧化金催化剂的制备技术建立必要的理论基础。本项目将纳米技术、生物技术和环境工程结合起来，提出了一种制备VOCs氧化金催化剂的新方法，具有明显的创新性，也具有重要的催化应用价值。

大气中苯、甲苯、二甲苯等典型的挥发性有机化合物（VOCs）对人类健康和地球环境构成了严重的威胁，因此VOCs的高效去除必要且迫切，目前催化氧化法被认为是最具发展前景的VOCs去除方法，其中催化剂的制备尤为关键。本项目基于生物软模板具有无需额外保护剂和还原得到的贵金属纳米颗粒稳定性好以及生物硬模板具有天然孔道和分层结构的优势，利用软模板（植物提取液、牛血清蛋白）或硬模板（鸡蛋壳）制备负载贵金属纳米颗粒（金、银、钯等）催化剂，用于苯的氧化反应。借助多种现代分析技术表征制备过程中多孔结构载体与生物分子保护的贵金属纳米颗粒的结合机制，检测催化过程中的活性氧物种和催化位点等，同时利用密度泛函理论计算反应过程中的VOCs吸附结构和电子云密度等。通过催化剂制备实验的因素优化和催化反应的系统评价，认识基于绿色生物法制备负载型贵金属催化剂的过程原理，探索所制备催化剂结构与VOCs催化性能的构效关系，深入研究基于贵金属催化的典型VOCs氧化反应机理，寻求降低催化反应温度和提高催化剂稳定性的有效方法，为基于生物模板法的VOCs氧化催化剂的制备技术建立必要的理论基础。本项目研究结果表明，三维有序介孔结构的CeO2和植物提取液保护作用防止Pd纳米颗粒团聚，Pd/kit-CeO2在苯催化剂的T90%为187 oC；多孔鸡蛋壳载体易与Pt形成相互作用，侧柏提取液调控了催化剂上Pt2+/Pt0比值，催化剂的T90%为178 oC，连续反应300 h苯转化率保持在92%；同时，鸡蛋壳有利于Ag颗粒高度分散，催化剂抗水汽和二氧化碳干扰能力强；生物模板的分层结构使Co3O4纳米粒子均匀分布并形成强相互作用，不同价态Co和催化剂中吸附氧/晶格氧共同影响其催化性能，催化剂的T90%为256 oC；采用植物提取液制备包裹型催化剂Ag@LaCoO3使T90%降低约40 oC，载体的封装作用提升了纳米颗粒的抗烧结能力，高温处理则增强了金属载体相互作用并去除了表面残留的生物质分子。