一维单晶La1-xSrxMO3 (M = Fe, Co, Mn)纳米材料制备及氧化VOCs的催化性能研究

挥发性有机物(VOCs)污染大气环境。催化法是有效消除VOCs的途径，催化剂是实现该过程的关键。钙钛矿型氧化物对VOCs氧化显示催化活性，其中以La1?xSrxMO3 (x = 0, 0.4; M = Fe, Co, Mn)的为最佳。与多晶材料相比，一维单晶纳米材料能让更多高活性晶面暴露在催化剂表面，有利于反应物分子的吸附和活化，然而采用传统方法却难以可控制得一维单晶La1?xSrxMO3纳米棒/线/管催化剂。本课题拟以一维单晶La(OH)3和MOx纳米棒/线/管为模板，建立一维单晶La1?xSrxMO3纳米棒/线/管的可控制备技术，揭示其物化性质和催化反应机制，建立对典型VOCs氧化反应的动力学方程，为新型高效催化材料设计提供理论和实践指南。

经过研究，我们取得了较多的实验结果，包括：（1）采用水热法，制得了一维纳米棒状、线状和管状MnO2；采用CCl4溶液法，制得了花状Mn2O3。采用微乳液法，制得NiO纳米棒和纳米块。采用水热合成或微乳液法，制得多孔Co3O4纳米线和纳米棒。我们尝试以一维MnO2、NiO或Co3O4纳米材料为模板，采用水热法或熔融盐法，来制备相应的一维LaMnO3、LaNiO3或LaCoO3等钙钛矿型复合氧化物纳米材料，但由于钙钛矿型晶体结构需要在高温（> 750 oC）下才能形成，导致MnO2、NiO或Co3O4等模板的一维形貌难以维持。此外MnO2、NiO或Co3O4等模板在与镧源反应形成钙钛矿结构的过程中，由于模板和目标产物之间晶体结构匹配存在一定的差异，导致模板的形貌也难以维持。（2）采用水热合成法，成功制得Fe2O3纳米棒、Fe2O3纳米管、Fe2O3纳米线、Fe2O3纳米立方块和Fe2O3纳米片催化剂，它们对甲苯氧化反应的催化性能表现出一定的形貌效应。采用溶剂热法，制得了由块状粒子聚集而成的多孔单分散Co3O4微球。采用PVA保护的鼓泡还原法，制得0.71–6.55 wt% Au/Fe2O3纳米片催化剂和1.6–7.4 wt% Au/Co3O4微球催化剂。6.55Au/Fe2O3纳米片催化剂和7.4Au/Co3O4微球催化剂对CO或甲苯氧化反应表现出较高的催化活性。我们认为吸附氧物种浓度、低温还原性以及Au纳米颗粒与载体之间的相互作用是影响催化剂催化性能的主要因素。（3）以多孔球形Mn2O3和La(NO3)3为前驱体，以NaNO3和KNO3为熔融盐，在550 oC焙烧4 h或6 h后，分别制得多孔球形LaMnO3或块状LaMnO3，它们对甲苯氧化反应均表现出较高的催化活性，且块状LaMnO3的催化活性更好。我们认为较高的表面Mn4+/Mn3+摩尔比和较好的低温还原性能是促使块状LaMnO3表现出更好催化性能的主要原因。在此基础上，我们正在开展以特定形貌的过渡金属氧化物为模板，选择适当的熔融盐体系来制备具有相应特定形貌的钙钛矿型复合氧化物催化材料的研究。（4）以硝酸镧和硝酸铁为金属源，以KIT-6和SiO2球为硬模板，采用超声波辅助的重复浸渍法制得了具有蠕虫状介孔结构、比表面积分别为138和65 m2/g的LaFeO3催化剂，它们对CO 和甲苯氧化反应显示出优良的催化活性。