Pt颗粒负载对CeO2臭氧催化氧化甲苯的增强作用

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挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是主要的大气污染物之一,严重危害人体健康和环境质量。臭氧催化氧化技术可在较低温度下(<120℃)有效氧化VOCs,同时实现O3的消除,是极具发展潜力的低浓度VOCs控制技术。但目前该技术还存在VOCs矿化不完全的问题,合理设计催化剂是实现技术应用的关键。稀土金属氧化物二氧化铈(CeO2)既是广泛应用的VOCs氧化催化剂,又是性能优良的臭氧分解催化剂。通过负载贵金属,利用贵金属-CeO2间的相互作用,可以显著提高CeO2的催化反应活性。基于上述考虑,本文制备了贵金属铂(Pt)颗粒负载的Pt/CeO2催化剂,探究了Pt颗粒负载对CeO2臭氧催化氧化甲苯的增强作用,并对反应过程中的催化剂表面氧物种及其作用进行了探讨,进一步将Pt Ce组分负载在分子筛载体上,考察了低Pt负载量(<0.1%)的Pt-CeO2/BEA催化剂协同臭氧催化氧化甲苯的性能,得到主要实验结果和结论如下:(1)通过Pt颗粒吸附法制备了0.4 wt%Pt/CeO2催化剂,应用于臭氧催化氧化甲苯反应中,其性能明显高于CeO2。在反应温度80℃时,甲苯降解率、CO2产率和臭氧分解率分别达到92.3%、92.1%和99.9%。UV-Raman、X射线衍射光电子能谱(XPS)和氧气-程序升温脱附(O2-TPD)等表征结果显示,Pt与CeO2结合产生强相互作用,促进CeO2表面氧空位生成,增加了CeO2表面氧空位浓度。采用原位拉曼对CeO2和Pt/CeO2在反应过程中表明氧物种的差异及作用机制进行探究,结果表明O3在CeO2氧空位上吸附分解形成过氧物种,参与甲苯的氧化过程。并且发现Pt颗粒负载后,CeO2表面用于臭氧分解的氧空位增加,产生更多的过氧物种,促进甲苯的氧化分解,进而增强Pt/CeO2的臭氧分解以及臭氧催化氧化甲苯活性。(2)采用浸渍法制备得到CeO2/BEA,再通过Pt颗粒吸附法和浸渍法分别制备了贵金属负载量仅为0.07 wt%的Pt-CeO2/BEA-P和Pt-CeO2/BEA-IM催化剂。透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见光(UV-Vis)和XPS等表征结果表明,Pt-CeO2/BEA-P催化剂中,Pt与CeO2在载体表面紧密相连,产生强相互作用,具有更高的氧空位含量,从而展现出更好的臭氧催化氧化甲苯性能,在反应温度90℃时,甲苯转化率、CO2选择性和臭氧分解率均达到100%。
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