催化氧化室内苯系物净化材料的构筑及其性能研究

Based on the critical indoor benzene series pollution, this project has developing a method to fabricate highly oriented nanostructure mixed metal oxides monolithic film catalyst derived from topotactic conversion of LDHs precursors with in-situ grow technique through the calcination under certain temperature. The method solves the issues that the conventional supported catalyst weak abiding heating, weak binding force, low dispersity, and is simple to execute. The resulting monolithic films have a set of properties including porous, high ratio surface, high activation. The mixed metal oxide films can be freely manipulated by tailoring the different types of LDHs [MII1-xMIIIx(OH)2]x+(An-)x/n×mH2O) by adjusting and incorporating various metal components (the MII (any divalent metal cation) and MIII (any trivalent metal cation) into the hydroxide layer. The structures and catalytic behaviors (activation, lifetime, deactivation and reactivation) of materials are characterized, the influence on Lewis acid/base, oxygen vacancies by doped metal element are further studied. The relationship between the structures and properties of the films has also been deeply and systematically investigated. Our aims are to obtain good monolithic catalyst for degradation of indoor benzene series provide a novel strategy for fabricating catalysis with tunable VOCs degradation properties, which will contribute our knowledge to catalysis and materials sciences, and also meet urgent practical requirements.

针对室内苯系物污染控制的需求，本项目通过原位生长法在铝片基底上制备层状复合金属氢氧化物（LDHs，水滑石）结构化薄膜前体，经高温焙烧拓扑转变构筑复合金属氧化物（MMO）结构化膜催化剂，研究其催化氧化苯系物性能（活性、寿命、失活及再生）。该方法解决了传统负载型催化剂不能加热、结合力弱、活性组分分散度低的难题，简单而易操作，所制备的净化材料具有多孔性、高比表面积、高催化活性等特点。通过调变LDHs前体MII和MIII（部分或全部取代M2+，部分取代Al）金属元素组成、比例和反应条件，再经焙烧得到不同组分和结构可调控的MMO结构化膜催化剂。通过对材料组成的优化，结构与性质的表征，揭示元素掺杂引起催化剂表面Lewis酸碱性和氧缺陷的变化对催化活性的影响规律，争取开发出高效低耗的室内苯系物催化材料。本工作为实现室内苯系物污染控制提供材料与技术，丰富人们LDHs基膜催化材料与苯系物氧化方面的科学认识。

室内苯系物等毒性挥发性有机污染物（VOCs）净化通常采用活性炭吸附净化，催化氧化技术能够将VOCs分解成CO2和H2O，无二次污染，是最有效的VOCs净化途径之一，关键问题是研制低成本、高活性、稳定性好的催化剂。本项目以水滑石材料为前驱体，选取易于导热的低廉铝片为基底，通过水热原位生长法制备层状复合氢氧化物（水滑石，LDHs），高温焙烧获得复合氧化物（mixed metal oxides，MMO）整体式薄膜催化剂，易于导热、易于传质传热。系统研究了材料形貌、表面结构和化学性质，揭示了催化剂结构与催化氧化活性之间的关系，研究了催化反应动力学、催化稳定性、耐水汽性能。主要研究内容及结果如下：（1）通过简单的反应溶剂及沉淀剂的控制合成不同形貌的CoAlMMO材料，三维绒球状CoAl氧化物氧缺陷浓度最高，催化性能最好，60000ml gcat h-1空速，230ºC下苯转化率99%。（2）合成CoAlLDHs基础上，氧气氧化法得到Co∏CoШMMO催化剂， 总结了高浓度三价钴引起更多氧空位，及更多Lewis酸，利于苯催化活性，60000ml gcat min-1空速，210ºC下苯转化率100%。（3）通过元素掺杂，改变掺杂比例，制备了M3-xCoxAlMMO(M=Cu、Ni、Mn)催化材料，总结了不同元素掺杂及不同掺杂比例，由于协同作用强度不同，引起催化剂表面物种分布不同，氧化还原能力差异，及氧缺陷不同，导致催化活性不同，活性顺序Mn>Cu>Ni。3.5%水汽干扰下，部分催化剂催化活性无下降。（4）整体式M3-xCoxAlMMO(M=Cu、Ni、Mn)膜催化材料制备及性能评价，催化活性为CoMn2AlO>Mn3AlO>Co2MnAlO>Co3AlO。通过与相应粉体催化材料对比，T90为210ºC 时候CoMn2AlMMO膜的反应速率为1.19 mmol g-1 h-1，高于相应的粉体催化剂0.27 mmol g-1 h-1。通过以上研究实现了活性组分均匀分散、结合力牢的复合金属氧化物结构化薄膜催化剂材料的可控制备。阐明催化材料表面Lewis酸碱性、氧缺陷与催化活性之间的内在联系，为LDHs基结构化膜催化材料的结构设计、应用、优化等奠定实验基础和科学依据，为实现室内苯系物污染控制提供材料和技术。