锰基催化剂的制备及其对含氧挥发性有机物催化性能研究

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含氧挥发性有机物(OVOCs)作为重要的大气污染物之一,参与光化学烟雾、雾霾的形成,破坏大气环境,并对人体有严重的危害。催化氧化法作为一种有效控制OVOCs的方法,具有去除效率高、无二次污染等优点。催化氧化法的核心在于高活性、长寿命、低成本催化材料的设计、开发和应用。本论文针对具有优异氧化还原性,价格低廉的锰基催化剂进行研究,考察了制备方法、晶型结构、元素组成以及负载方式等对锰基催化剂的OVOCs低温催化氧化性能的影响。具体研究如下:
  (1)以MnO2为研究对象,首先对比氧化还原法、水热法及热解法制备催化剂的性能,测试发现对丙酮的催化活性最高的是采用氧化还原法制备的催化剂;进一步利用氧化还原法制备了α、β、γ晶型的MnO2,发现不同晶型MnO2对丙酮有不同的催化活性,其中α-MnO2对丙酮的催化活性最高,T90%为189℃;最后对α-MnO2的制备条件进行优化,发现当硝酸锰作为前驱体、在常温下进行反应、硝酸锰:高锰酸钾=1:2以及反应时长1h为最适宜制备条件。
  (2)利用过渡金属元素Fe、Ni、Cu、Co掺杂锰氧化物制成双金属氧化物催化剂,研究发现FeMn催化剂对OVOCs具有较优的催化活性,在对FeMn催化剂研究过程中发现掺杂比例和焙烧温度对FeMn催化剂的丙酮催化活性影响较大,当Fe投加比例为20%,焙烧温度为400℃时催化剂对丙酮的T90%可以达到173℃,这归因于该催化剂具有良好的氧化还原性、较大比表面积和较多的表面吸附氧。该催化剂连续10次测试催化活性无明显变化,在180℃条件下85h内对丙酮保持90%以上的转化率,说明具有较好的稳定性同时测试发现该催化剂对正丁醛、乙酸乙酯也有良好的催化效果。
  (3)对比原位负载法和浸渍法制备的Mn@SBA-15负载型催化剂,发现原位负载法制备的催化剂对OVOCs表现出更好的催化性能,其中丙酮、正丁醛和乙酸乙酯的T90%分别是200℃、183℃、200℃。其原因是原位负载法制备的催化剂具有更高的比表面积和更多的表面吸附氧。此外,研究发现载体模板剂脱除方式对催化剂性能也有较大影响,利用高锰酸钾氧化去除模板剂,同时将活性组分锰氧化物负载到SBA-15上制成Mn/SBA-15的催化性能优良,其丙酮T90%可以低至170℃。
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