Mn基复合氧化物中不同金属间强相互作用及其在VOCs催化氧化中作用机理的探究

This project is focused onto the intermetallic strong interaction of Mn-based metal compound oxides, and its effect onto the natures of catalysts in terms of redox property, oxygen absorption-desorption capacity, lattice structure and so on; furthermore, the inner relation between strong interaction and catalytic performance in oxidation of VOCs (volatile organic compounds) is researched via combination of characterization and activity test. The synthetic method will be developed and the component will be optimized to tune the intermetallic interaction; meanwhile, several in-situ characterizations (e.g. in-situ FTIR, in-situ Raman) are implicated to investigate the mechanism of catalytic oxidation and the function of intermetallic strong interaction during reaction, so as to look for theory basis for further improving catalytic activity and endurability.

本项目主要研究Mn基多金属复合氧化物中不同金属间的强相互作用及其对催化剂氧化还原性能、氧吸-脱附能力、晶体结构等方面性质的影响，通过构-效关联进而探究强相互作用对催化剂催化氧化VOCs（volatile organic compounds）性能的影响机制。在研究中通过改进合成方法和优化金属配方实现对金属间相互作用的调控，并运用in-situ FTIR、in-situ Raman等原位表征手段，研究VOCs催化氧化的反应机理和反应过程中金属间强相互作用的作用机制，为复合金属氧化物催化性能的进一步提高提供理论指导依据。

本项目以Mn基单金属氧化物的特征化学性质出发，提出了一种氧化还原驱动第二金属水解实现材料表面均匀改性的新方法，利用该方法实现了MnO2的表面高分散负载氧化铈（CeO2），增强了Mn-Ce间的相互作用，提升了材料的氧化还原性，进而提高了Mn基材料催化氧化VOCs特别是氯代有机物的活性及其稳定性。基于该改性策略的基本原理，我们对室温非氧化还原性的Ti基载体进行高价态Mn离子掺杂，拓展了氧化还原驱动水解法的适用范围，成功地制备出以Mn离子作为锚在TiO2负载的单原子Pt催化剂，有效降低了贵金属Pt的使用量，提高了室温催化氧化甲醛的活性，通过密度泛函理论以及原位红外等多种表征手段对金属-载体间的强相互作用进行了深入研究。通过对Mn基及其掺杂型催化材料的研究，我们将氧化还原驱动水解法推广到具有相似氧化还原性质的氧化铈载体上。通过该方法我们成功在氧化铈纳米棒（r-CeO2）表面均匀地覆盖一层杂多酸盐，利用多酸盐的Brønsted酸性位促进氯代VOCs（CVOCs）发生活化解离，降低COVCs催化氧化的反应温度，同时，提高了催化剂抗氯中毒的能力。紧接着，我们又利用该方法在棒状、立方体和多面体等不同形貌的CeO2上负载贵金属Au，通过高分辨球差电镜，我们发现Au以单原子的形式负载在CeO2表面，并且其主要负载于CeO2的（111）和（110）等非极性面上，由于Au与CeO2表面晶格氧的强相互作用活化了氧化活性物种，加速甲醛、CO等小分子在催化剂表面的氧化速率。基于Mn基和Ce基金属氧化的研究工作，我们发现氧化还原驱动法可作为再生催化剂的手段，实现高温热失活Ru-Ag双金属催化剂的再生，对其再生机理做了深入研究。上述研究工作已在环境工程领域的重要学术期刊上发表6篇，并申请发明专利一项，达到了项目预期目标。