多级孔纳米结构上Ce/Zr基催化剂联合低温等离子体脱除VOCs的基础研究

The problems of environmental pollution caused by volatile organic compounds (VOCs) are increasingly serious. And the technology of low temperature plasma combined with catalyst has been proved to be the most effective method to control VOCs. Systematic investigations on the strengthening removal of VOCs by using Ce/Zr based catalysts on hierarchical supports combined with low temperature plasma will be carried out in this subject. The influence rules of operation conditions including catalyst composition, structure and composition of the support discharge characters on the removal efficiency, CO2 selectivity and byproducts generation will be revealed. Furthermore, the improvement approach of the support and catalyst to enhance the efficiency of the plasma-catalytic reactionand anti-carbon deposit performance will be obtained. The reaction mechanism of catalytic cycle in the presence of plasma active groups will be put forward. Thermodynamic and kinetic models of the low temperature plasma-catalytic reaction will be established. Finally, the optimized strategies of operating conditions and the structure of plasma reactor which give consideration to low energy consumption and high removal efficiency will be obtained. Above research works can provide necessary theoretical foundation and research experience for the development of the technology of plasma combined catalyst in the field of VOCs control.

挥发性有机物(VOCs)引发的环境污染问题日益严峻，低温等离子体联合催化是控制VOCs的有效手段之一。项目针对多级孔纳米结构上Ce/Zr基催化剂联合低温等离子体强化脱除VOCs展开系统的研究工作，旨在揭示催化剂组成、载体结构与表面性质、放电参量等条件对催化活性、CO2选择性和副产物生成的影响规律，得到载体、催化剂对提高联合催化反应效果和抗积碳性能的改善途径；提出等离子体活性基团参与下VOCs催化的微观反应机理；建立低温等离子体-催化反应的热力学、动力学模型；获得兼顾低能耗和高净化效果的联合催化系统的运行条件和等离子体反应器结构的优化策略。以上研究工作将为等离子体联合催化技术在VOCs控制领域的发展提供必要的理论基础和研究经验。

挥发性有机物(VOCs)引发的环境污染问题日益严峻，低温等离子体联合催化是控制VOCs的有效手段之一。项目针对Ce/Zr基催化剂联合低温等离子体强化脱除VOCs展开了系统的研究工作，揭示了催化剂组成、载体结构与表面性质、放电参量等条件对催化活性、CO2选择性和副产物生成的影响规律，得到了载体、催化剂对提高联合催化反应效果和抗积碳性能的改善途径；提出了等离子体活性基团参与下的微观反应机理。主要结论如下：（1）陶瓷拉西环可明显降低SIE值和Cg，而Cd 随着电压的升高先升高后稳定在700 pF左右；随着SIE的升高，副产物O3呈先增加后降低的趋势；陶瓷拉西环可强化脱除甲苯并明显提高能量产率。（2）结合等效电路模型和MATLAB，当电源的输出频率等于谐振频率时，电路中容性与感性相消，甲苯的去除效率最高；随着气体流量和进口浓度的增加，甲苯的去除效率降低，但前者的影响程度比后者要大；细管径配合粗电极更利于污染物的去除。（3）在谐振频率（9.6 kHz）附近放电功率达到最大值；单纯等离子体去除甲苯时CO2的选择性远低于降解率，甲苯完全分解时CO2的选择性仅为43%（85 W，9.6 kHz）。（4）DBD协同CuCeZr/T、NiCeZr/T、 FeCeZr/T、CoCeZr/T和MnCeZr/T脱除VOCs， CuCeZr/T的CO2选择性最高，归因于其高度分散的铜物种和丰富的晶格氧；低功率下，NiCeZr/T的甲苯去除率最高，而MnCeZr/T的CO2选择性最高。（5）DBD协同CuCeZr/Z，CuCeZr/T和CuCeZr/A脱除VOCs可分为三步，低功率下，反应由DBD控制；功率增大，BDB和催化共同起作用；在高功率下，催化剂起主导作用，CO2选择性明显增强。对于CuCeZr/T，载体的大孔径有助于反应物的内部扩散与孔道内微放电的发生，活性物种的高度分散以及晶格氧和氧空位存在可显著提高转化率、CO2的选择性和能量效率。（6）DBD协同CeZr/T，CuZr/T和CuCeZr/T可引燃CO自持燃烧；反应诱导过程主要由等离子体起主导作用，而燃烧过程则由热催化控制；CuZr/T提供更多的吸附位从而缩短引燃时间。以上研究工作为低温等离子体联合催化技术在VOCs控制领域的发展提供了必要的理论基础和研究经验。