基于同步辐射的原位光电离质谱研究电场耦合催化氧化挥发性有机物

Volatile organic compounds (VOCs), especially formaldehyde(HCHO) and benzene-based VOCs, are the key targets of atmospheric pollution control. Electron field coupling catalysis, capable of accurate fracture and recombine the carbon-hydrogen, carbon-oxygen and carbon-carbon bonds, can help to overcome the bottlenecks in the traditional thermal catalysis or plasma process, such as low activity at mild condition, high energy consumption and low selectivity etc. Such technology route could thus help to address the current complicated air pollution challenge, such as VOCs, PM and ozone. Free radicals and unstable intermediates are key components for understanding and optimize the electron coupled catalytic oxidation process. Based on synchrotron radiation photoionization mass spectrometry, this study plans to measure the gas-phase intermediates of three typical VOCs: formaldehyde, benzene, and toluene in the electron-coupling process. The key intermediate species and reaction pathways related to activity, selectivity and stability could be identified. The above results, combined with other characterization and diagnostics results of catalytic surface physicochemistry properties, could help on understanding the relationship between catalyst structure and coupling reaction. Final ration design of catalysts and electron field aimed at high activity and selectivity to removal VOCs at room temperature could thus be achieved.

挥发性有机物(VOCs)是大气污染治理的核心问题之一。电-热偶合催化技术路径可以促进挥发性有机物分子中碳-氢、碳-氧和碳-碳键精准断裂和重构，有助于克服单一过程存在的活性/选择性低、能耗高、副产物多等瓶颈，实现常温条件下的VOCs高选择性完全降解。高压静电场还能同时实现细颗粒物的捕集。稳定及不稳定中间体是解析VOCs电耦合催化氧化反应路径必不可少的关键组分。本研究拟基于同步辐射光电离束质谱技术结合其他表征手段，测量在高压静电或介质阻挡放电场耦合情况下，三种典型VOCs，甲醛、苯以及甲苯，在电场中和催化床层的气相中间体和其衍化的信息，结合计算模拟，获得与活性、选择性以及稳定性相关的关键中间物种以及反应路线；结合吸附浓缩和限域择型催化剂设计合成，表面物理化学的表征与诊断，理解催化剂结构-反应之间的关系，指导实现常温高活性与选择性的耦合催化剂以及高效电场的定向优化设计。

挥发性有机物(VOCs)是大气污染治理的核心问题之一。电-热耦合催化技术路径可以促进挥发性有机物分子中碳-氢、碳-氧和碳-碳键精准断裂，有助于克服单一过程存在的活性/选择性低、能耗高、副产物多等瓶颈，实现常温条件下的VOCs高选择性完全降解。高压静电场还能同时实现细颗粒物的捕集。稳定及不稳定中间体是解析VOCs电耦合催化氧化反应路径必不可少的关键组分。项目首先基于合肥同步辐射国家实验室光电离质谱线站，设计搭建了一套与线站分子束光电离质谱匹配的介质阻挡放电反应诊断装置(NTP-SVUV-PIMS)。以典型的芳香族化合物苯以及甲苯为目标挥发性有机物（VOCs），基于NTP-SVUV-PIMS和其他实验表征手段（如GC-MS，原位漫反射红外），实现了对NTP降解反应过程中主要气态物种的分子结构以及浓度精确且全面的分析，深入研究了其在电场中和催化床层的气相中间体和产物的衍化规律。基于实验结果，结合基元步骤热力学计算以及高精度的第一性原理计算模拟（CCSD(T)/aug-cc-pVXZ (X= D, T)计算水平），从分子水平获得了与活性、选择性以及稳定性相关的关键中间物种以及反应路线；进一步结合新型催化剂设计合成，表面物理化学的表征与诊断，阐述了催化剂结构-反应特性之间的关系，为指导实现常温高活性与高选择性耦合催化剂的优化设计提供了研究基础。最后开展了难降解结焦副产物催化去除的探索研究，构建了一套研究难降解多环芳烃催化降解行为的实验方法,为该类副产物的催化去除研究提供了实验研究方案。项目为理解电-热催化耦合催化反应中的等离子化学反应，催化剂剂结构-反应之间的关系，指导实现常温高活性与选择性的耦合催化剂以及高效电场的定向优化设计提供了指导。