全太阳光谱驱动纳米结构OMS-2催化净化挥发性有机污染物

Volatile organic compounds (VOCs) are hazardous to human health. Photocatalytic technology provides an efficient approach for VOCs purification. However, according to the conventional photocatalysis principle, it would be impossible to realize full solar spectrum photocatalysis, especially infrared photocatalysis. Therefore, it is a dream of scientists and great challenge to develop novel principle and catalyst of full solar spectra light driven photocatalysis. In this the project, we develop a conceptually new approach of full solar spectra light driven thermocatalysis by combining both full solar spectrum light absorption and highly efficient thermocatalytic activity of nanostructured cryptomelane-type octahedral molecular sieve (OMS-2). We propose to investigate the methods of tuning the microstructure and composition of nanostructured OMS-2 by replacing the K+ ions inside the tunnel of OMS-2 by different metal ions. We will reveal the effect of the microstructure and composition of nanostructured OMS-2 on the lattice oxygen reactivity, solar absorption, full solar spectrum driven catalytic properties for VOCs purification. The project will realize highly efficient full solar spectrum driven catalytic purification of VOCs on nanostructured OMS-2, and provide important scientific evidence and new idea for designing full solar spectrum driven catalysts of nanostructured OMS-2 with high efficiency.

挥发性有机物（VOCs）严重危害人们的身体健康，光催化技术提供了一种有效的VOCs净化方法，但根据现行光催化原理，高效全太阳光谱光催化，特别是红外光光催化难以实现，发展全新的全太阳光谱驱动催化原理和催化材料是科学界的梦想和巨大挑战。本项目提出将具有分子筛结构的纳米隐钾锰矿（OMS-2）在全太阳光光谱范围的强吸收性能（光热转化使催化剂温度升高）与其优良的低温热催化性能有机结合，发展与现行光催化原理完全不同的全太阳光谱驱动光致热催化净化VOCs新原理和方法; 研究用不同金属离子取代纳米OMS-2孔道中K+离子等微结构和组成的调控方法，揭示纳米OMS-2的微结构和组成对晶格氧活性、光吸收性能以及全太阳光谱驱动催化净化VOCs活性等的影响规律，实现纳米结构OMS-2对VOCs的高效全太阳光谱驱动催化净化，为高效全太阳光谱驱动VOCs催化净化新材料-纳米结构OMS-2的设计提供科学依据和新思路。

石化、油漆等行业排放大量的挥发性有机物(VOCs)等气体污染物，这些污染物严重危害人们的身体健康及大气环境。现行商业化VOCs治理技术主要是基于负载型贵金属催化剂的催化燃烧技术，存在催化剂价格昂贵、能耗大、运行成本高等问题，严重阻碍其广泛应用。本项目在纳米结构OMS-2等锰氧化物的制备、表征、金属离子掺杂、微结构调控、光致热催化净化VOCs等气体污染物的催化性能及机制等方面开展了系统深入的研究工作，研发了价格低廉的隐钾锰矿（OMS-2）纳米棒、水钠锰矿（OL-1）纳米花、γ-MnO2纳米空心球、ε-MnO2纳米片等纳米结构锰氧化物，Ce4+、Fe3+、Mg2+等离子掺杂OMS-2纳米棒，Cu2+掺杂γ-MnO2，Cu2+掺杂OL-1，以及锰氧化物/TiO2纳米片纳米结构复合物等系列新材料；发现在全太阳光谱、可见-红外及红外光照射下上述纳米结构催化新材料对VOCs等气体污染物的治理具有优良的催化净化活性和稳定性；发展了基于上述纳米结构催化新材料的高效全太阳光谱驱动催化净化新方法，将现行光催化剂的光谱响应范围有效地拓展至红外光区域，极大地提高了太阳能的利用效率，大幅度降低了VOCs治理能耗；发现了与半导体光催化完全不同的光活化新效应，显著提高了光致热催化活性；揭示了纳米结构OMS-2等锰氧化物的微结构和组成对晶格氧活性、光吸收性能、以及全太阳光谱驱动催化净化性能等的影响规律，以及上述光活化新效应的本质。本项目为VOCs的治理提供了高效、节能新方法，为全太阳光谱驱动VOCs催化净化新材料的设计提供重要科学依据和新思路。.本项目先后在Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B (6篇)、J. Mater. Chem. A (3篇)、ACS Catal. (2篇)、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale (2篇)、Chem. Eng. J.、Environ. Sci: Nano (2篇)、ACS Sustainable Chem. Eng.、Catal. Today、Appl. Surf. Sci.等国际重要期刊共发表SCI论文22篇,申请国家发明专利2项，圆满地完成了项目的计划任务和目标。