多孔碳球表面含氧官能团类型和缺陷位对CO催化氧化反应性能的影响机制研究

Research on CO low-temperature catalytic oxidation reaction has an important practical application value. Catalytic oxidation technology is the most effective means to eliminate trace CO. The key point is the development of high activity and stability of the catalyst. High surface area porous carbon spheres had been obtained in our previous work. Based on this point, this project intends to graft oxygen containing functional groups on the surface of porous carbon spheres using ozone oxidation technique. By adjusting the technology parameter, such as processing time, temperature, the concentration of ozone and UV illumination, etc., it is feasible to control the amounts and types of oxygen containing functional groups and surface defects of carbon materials. It is necessary to systematically investigate the influence of the types of oxygen containing functional groups and surface defects on the noble metal dispersion properties and the function mechanism of CO catalytic oxidation. CO low-temperature catalytic oxidation catalyst with high activity and stability can be prepared by optimizing Pd load method. It is important to understand the nature of the reaction and deactivation mechanism of CO low-temperature catalytic oxidation process from the molecular level. Through the systematic analysis of the association among of ozone treatment technology parameters - types of surface oxygen containing functional groups - surface defects - noble metal dispersion - catalytic activity, it provides the theory basis for studying the CO catalytic oxidation reaction mechanism. Using characterization techniques, it is important to explore the activation and adsorption mechanism of CO molecule on the surface of carbon-based noble metal material, and research on the formation process and structure of catalytic active center.

研究CO低温催化氧化反应具有重要的实际应用价值。采用催化氧化法是消除CO最有效手段，关键在于开发高活性、高稳定性催化剂。在前期已获得高表面积的多孔碳球基础上，本项目拟采用臭氧氧化法在多孔碳球表面嫁接含氧官能团，通过调节处理时间、温度、臭氧浓度以及UV光照等技术参数，调变氧官能团含量、类型及缺陷位，系统考察表面含氧官能团类型以及表面缺陷位对贵金属的分散性及CO催化氧化性能的影响机制。优化贵金属负载方法，制备出高活性、高稳定性CO低温氧化催化剂。从分子水平上认识CO低温催化氧化反应机理和失活机理的本质，通过系统分析臭氧处理技术参数—表面含氧官能团类型—表面缺陷位—贵金属分散性—催化剂活性五者之间的关联，为研究CO低温催化氧化反应提供理论依据。利用系列表征技术，探究CO分子在碳基催化材料表面的吸附与活化机理，研究催化活性中心的形成过程和结构。

在半封闭、封闭空间中微量CO会对人体产生极大影响。采用催化氧化法是消除CO最有效手段，关键在于开发高活性、高稳定性催化剂。本项目在实施过程中，以葡萄糖为前驱体，通过表面活性剂辅助水热法合成多孔碳球，采用臭氧处理技术对多孔碳球处理，控制多孔碳球表面氧官能团和缺陷位，从而控制多孔碳球基贵金属催化剂表面元素价态、表面氧浓度以及活性组分的分散度和粒子尺寸。结果表明：通过调变臭氧处理时间、浓度可以调变碳表面的氧官能团，而这些氧官能团能够提高催化剂表面的Pd4+、Ce3+、活性吸附氧含量，这对催化剂活性提高是有利的，除此之外，改变臭氧处理时间、浓度也能够使多孔碳球比表面积减小，从而增大活性组分的粒子尺寸，这对CO催化氧化反应是不利的，因此臭氧处理时间、浓度均具有最优值；通过调变臭氧处理温度、紫外辅助光照时间可以调控多孔碳球缺陷位，增高臭氧处理温度和增长紫外辅助光照时间可使多孔碳球缺陷位增多，缺陷位的增多不仅提高催化剂表面的Pd4+、Ce3+、活性吸附氧含量，同时也增大活性组分的粒子尺寸、降低活性组分的分散度，这两方面对催化剂的作用是相反的，因此臭氧处理温度和紫外辅助光照时间也有最优值。通过研究发现当臭氧处理温度为100℃、臭氧处理浓度为45 mgL-1、紫外辅助光照时间为30分钟，Pd-Ce/PCSs具有最高活性，能在15℃使3000 ppm CO完全转化，且催化剂能保持其活性16 h不变。依托本青年基金，项目团队在国外SCI期刊上发表论文14篇，培养研究生5名（其中2名在读），圆满完成了全部研究内容和预期目标。