化学镀自沉积联合限域可控生长技术制备低温整体催化剂及其在工业源挥发性有机物净化减排中的应用

Catalytic combustion is regarded as one of the most promising technologies for purifying volatile organic compounds (VOCs). The noble metal based combustion catalysts supported on structured substrates are widely used in catalytic combustion for their superior low-temperature activity. However, the high dosage of noble metal and bad thermal stability for this kind of catalysts pose a great barrier to the wide application in VOCs purification. In this project, a new noble metal and manganese oxide composite catalyst will be prepared by using electroless plating depostion with limit-domain controllable technique. After the manganese oxide nano fibers are deposited on the surface of structured substrate to form mesh-shape block layer, the growth of the noble metal microcrystallines will be confined by the micropore size of block layer and form branch-like or echinus-like nano particles during the electroless plating deposition. Since the staggered distribution between noble metal nano particles and manganese oxide nano fibers, the noble metal compound will be more conductive to keep nano shape and play more closely collaborative catalytic role with manganese oxide during VOCs catalytic combustion reaction. So this new preparation method of noble metal based monolithic catalytsts can effectively reduce the dosage of noble metal and improve catalytic thermal stability. Finally, the relationship between the structural characteristics of as-prepared catalysts and the catalytic combustion reactive characteristics of different types of VOCs will be also studied, in order to provide theoretical direction to perfect the preparation method of VOCs efficient combustion catalyst.

在贵金属整体催化剂上采用蓄热式催化燃烧技术，是处理工业源挥发性有机物（VOCs）最为有效的方法之一，但该类催化剂存在制备成本过高和反应热稳定性较差等缺点，限制了其在VOCs净化减排中的应用。在本项目中，课题组拟利用自有的化学镀自沉积技术联合限域可控生长模式，在纤维状纳米锰氧化物沉积形成的三维网格薄层中，控制贵金属微晶以预分布的钯晶种为根基，沿锰氧化物网格孔隙生长为海胆状或枝状纳米线，由此使贵金属纳米线与锰氧化物纳米纤维紧密结合并交错分布，从而有效减少贵金属用量和提高催化剂热稳定性。在此基础上，选择不同类型、变价态配比和性能的纤维状纳米锰氧化物作为阻隔剂和助剂，辅助Pd、Pt和Au等贵金属在规整基体表面可控负载，研制出具有不同结构特性的系列低温复合整体催化剂，并与不同种类VOCs在不同工况条件下的燃烧净化反应特性进行关联，最终建立工业源VOCs燃烧净化整体催化剂的配方库。

在贵金属整体催化剂上采用蓄热式催化燃烧技术，是处理工业源挥发性有机物（VOCs）最为有效的方法之一，但该类催化剂存在制备成本过高和反应热稳定性较差等缺点，限制了其在VOCs净化减排中的应用。本项目选择陶瓷和金属蜂窝两种不同材质的规整基底，采用化学镀自沉积联合限域可控生长等方法，通过在基底表面由锰氧化物（MnOX）或铝氧化物（AlOOH）等纳米片交错分布形成具有一定孔洞尺寸的三维网格薄层，并控制Pd、Pt、Ag等贵金属微晶在形成的氧化物三维网格薄层中可控生长，进而得到贵金属基低温复合整体催化剂，实现在减少贵金属用量的同时提升催化剂低温活性和热稳定性。在此基础上，进一步从调控催化剂中贵金属颗粒的微观结构形貌和过渡金属氧化物复合掺杂方式等角度出发对贵金属基催化剂进行拓展研究，共研制了六个系列贵金属基VOCs低温燃烧净化催化剂——即Pd-MnO2/堇青石蜂窝整体催化剂、Pd(Pt)-AlOOH/金属铝整体催化剂、Pd基自支撑分子筛泡沫整体催化剂、Ag@Pd/MnO2(TiO2)负载型核壳结构催化剂、Pd(Pt)/金属FeCrAl整体催化剂、化学复合镀法制备Pd-MnOX/蜂窝陶瓷整体催化剂。同时，通过研究这些系列催化剂的结构特性与不同种类VOCs催化氧化反应特性的关联，初步建立了满足典型污染行业对不同工况和不同种类VOCs净化减排需求的催化剂产品库。最后，对陶瓷和金属基底负载型贵金属整体催化剂进行放大化制备研究，在实现单批次合成催化剂规模超过立升级水平后，将放大化制备的催化剂用在建立的有机废气吸附浓缩与催化燃烧协同净化试验样机上进行性能评测。目前项目的部分专利成果已经转让给企业，放大化制备的部分催化剂样品也已在企业开始批量化试制，预期会在精细化工中小企业VOCs减排、企业工作间环境空气VOCs低温净化、油烟中VOCs去除和机动车尾气净化等领域得到推广应用。