基于微介孔分子筛限域的铂族金属-稀土复合材料上含氮/氧VOCs的氧化过程与反应机制

Industrial volatile organic compounds (VOCs) environment-friendly elimination is a hot research topic in the field of air pollution control. Catalytic oxidation is one of the most important technologies for VOCs removal. Typical industrial nitrogen/oxygen-contained VOCs (NVOCs/OVOCs) are selected in this project. Regarding the shortcomings of traditional catalysts for VOCs destruction, the approaches for controllable synthesis of micro-mesoporous molecular sieve-confined platinum group metal-rare earth composite materials with highly dispersed and precisely constructed active sites will be investigated and developed, and the synthesized catalysts combined with the advantages of high-abundance rare earth, nanometer/sub-nanometer platinum group metal and hierarchical porous molecular sieve in catalytic reaction. Catalyst physicochemical properties regulation rule and active oxygen transfer feature will be revealed by advanced characterization techniques, and the role of catalyst acid sites and pollutant activation mechanism will be illuminated from the molecular level by using in-situ methods and simulation. The regulation law of pollutant oxidation route and reaction product selectivity will be constructed via catalyst physicochemical property and reaction condition optimization. The oxidation performance, water and coke resistance of composite catalysts will be real-time studied to reveal their performance reinforcing mechanism. The research will provide new ideas and scientific basis for industrial NVOCs/OVOCs control, and further promotes the technology innovation and progress for industrial VOCs highly-efficient elimination, which have important theoretical significance and practical value.

工业挥发性有机化合物（VOCs）的环境友好消除是大气污染控制领域的研究热点，催化氧化是VOCs排放控制的主流技术之一。项目以典型含氮/氧杂原子VOCs（NVOCs/OVOCs）为研究对象，依据传统催化剂在VOCs氧化中存在的不足，结合高丰度稀土元素、纳米/亚纳米铂族金属及多级孔分子筛在催化反应中的优势，研究和发展微介孔分子筛限域型铂族金属-稀土复合材料的可控制备及高分散活性位的精准构筑方法。采用先进表征手段揭示材料物化性质调控规律和氧迁移转化特性，利用原位技术和模拟计算从分子层面阐明催化剂酸性位的作用及污染物活化机理，通过材料物化性质和反应条件优化得到污染物氧化路径和产物选择性调控规律，实时研究材料的氧化性能、耐水及抗积碳能力，揭示其性能强化机制。研究将为NVOCs/OVOCs控制提供新思路和科学依据，推动工业VOCs高效减排的技术创新和技术进步，具有重要的理论意义和实际价值。

含氮/氧挥发性有机物（NVOCs/OVOCs）的大量排放对大气环境和人体健康造成严重威胁，其高效催化消除是目前的研究热点。项目通过原位合成、双模板、水热合成、共沉淀、浸渍等方法制备了Pd基微孔/微-介孔分子筛、Pt/微-介孔SiO2、Au/多级孔ZSM-5、AuK/多级孔ZSM-5等材料，阐明了典型工业NVOCs/OVOCs在催化剂上的反应机制，提出了催化剂性能和反应选择性调控策略，主要结论及成果如下：. （1）采用原位合成法制备了高比表面积、高孔容Pd/微孔硅球及Pd/微-介孔SBA-15材料，发现催化剂高比表面积有利于提供更多活性位点、表面丰富微孔有利于正丁胺降解过程中NHx、N2等含小分子逸散，抑制过度氧化生成NOx。相比微孔催化剂，微-介孔材料具有更高的催化活性和更低的NOx产率。. （2）采用双模板剂法、水热合成法制备出高比表面积SiO2纳米棒，通过嫁接法、离子交换法对其进行后改性。发现Al加入使SiO2表面产生Brønsted酸位点，提升Pt分散度与稳定性，K掺杂平衡载体的电负性并极大增强了表面吸附氧移动能力。0.27wt.%Pt/KA-NRS可在170°C实现甲乙酮全转化（CO2选择性=90%）。采用乙二醇还原和共沉淀法将Pt、Mn双金属活性位点负载于微-介孔SiO2纳米立方体上，结果表明Pt显著减弱Mn-O强度，促进晶格氧可移动性能，大幅抑制甲基乙烯基酮副产物生成，实现甲乙酮低温矿化，丙酮和乙醛是甲乙酮氧化主要中间产物。. （3）研究进一步拓展至其他贵金属材料，采用乙二醇还原法和浸渍法制备了多级孔AuK/ZSM-5，发现多级孔中空结构极大提高了污染物扩散能力和反应传质性能，提升了活性位利用率。Au与K间具有显著协同作用，K引入产生大量表面羟基促进丙酮氧化、增强了表面吸附氧迁移活化能力，同时对Au起锚定作用避免其团聚失活。甲酸酯是丙酮主要的氧化中间体，浸渍法得到的催化剂具有最优的丙酮降解性能。. （4）研究为微介孔分子筛负载型贵金属材料上NVOCs/OVOCs的催化氧化提供了理论基础。研究结果以第一/通讯作者在Chem. Rev.、ES&T、ACS Catal.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B等国际刊物上发表SCI论文39篇，申请发明专利14项（授权5项），培养青年人才12名。