超薄水钠锰矿纳米片结构调控及其催化分解室内空气中甲醛的研究

Formaldehyde is a principal indoor air pollutant, which is harmful to the public health. The applicant recently found a layered manganese dioxide (MnO2), i.e. birnessite (δ-MnO2) could effectively decompose low-level indoor formaldehyde into carbon dioxide at room temperature, and the interlayer water in birnessite played an important role in this process. In this project, we plan to first synthesize the ultrathin birnessite nanoplate and then adjust its structure. We will investigate the effect of thickness of the birnessite nanoplate, ion doping, exchange of interlayer ions, deoxidation treatment on the performance to decompose formaldehyde. In addition, we will investigate the reaction kinetics, learning the impacts of reaction atmosphere and temperature on the long-term performance of as-synthesized birnessite. The relationship between the structure of birnessite and its activity for formaldehyde decomposition will discussed to obtain high effective birnessite catalyst with large specific surface area, strong reduction ability and long-term stability. Furthermore, to deal with the concurrent pollutants in the indoor environment, ultrathin birnessite will combine with carbon nanoparticles and graphene nanoparticles.

甲醛是首要的室内气态污染物，影响人体健康。申请人前期研究表明层状结构的二氧化锰——水钠锰矿在室温下能有效分解室内空气中低浓度的甲醛，并发现水钠锰矿层间水对甲醛的分解有重要作用。本项目将首先制备超薄水钠锰矿纳米片并进一步对其结构进行调控，研究水钠锰矿纳米片的厚度、离子掺杂、脱氧处理等对甲醛分解性能的影响；研究甲醛分解反应动力学，考察反应气氛、温度等对催化剂长期使用性能的影响，阐明水钠锰矿结构与其催化分解甲醛活性间的关系，从而研制出具有大比表面积、可还原性强，对空气中甲醛具有长效分解能力的水钠锰矿纳米催化剂。

甲醛是首要的室内气态污染物，影响人体健康。在这个项目中我们开展了超薄水钠锰矿型二氧化锰纳米片的制备、组装和负载，研究缺陷和层间离子调节作用，从多个角度尝试提高二氧化锰催化分解甲醛的活性，加深对二氧化锰结构及其甲醛催化活性关系的认识。研究获得了目前文献报道活性最高的二氧化锰催化材料，在甲醛入口浓度100 ppm，相对湿度70%（对应室温），空速 90 L/gcat·h条件下，甲醛完全温度转化温度下降到60℃；在室温、空速600 L/g.h条件下，二氧化锰催化剂对入口浓度0.5 mg/m3甲醛的去除率约90%，在将近1800h内连续去除甲醛并保持性能不变，甲醛去除容量超过600 mg/g。研制了可同步去除颗粒物、甲醛的纤维滤网，纤维滤网上二氧化锰活性组分负载量50-60g/m2，5.3cm/s滤速下一次通过去除率40-50%；颗粒物去除率95%以上。在结构—活性关系的认识方面，探讨了层间离子、锰缺陷、掺杂等对二氧化锰结构及其性能的影响，在此基础上认识到，活性氧及其暴露是影响甲醛催化分解活性的关键。发表SCI源刊论文21篇（含第一标注13篇），在web of science上总被引次数近1000次，其中ISI高被引论文4篇；申请和授权发明专利3项。在此基础上成功实现技术成果转化，建成了年产能10吨的活性二氧化锰生产线，甲醛分解卷材的最大日生产能力达到5000平米，研制了一系列甲醛净化产品，累计销量30多万套，销售产值超过5000万元。