形貌和尺寸效应强化低温活性的纳米铈基氧化物及其催化降解挥发性有机物的反应机理研究

The novel catalyst with high efficiency, stablity and low-temperature activity has been the hot research issue in the field of catalytic oxidation. In the present work, catalytic oxidaton of toluene over ceria and its mixed oxides will be studied. CeO2 and MnOx-CeO2 nano-structured catalysts with controllable morphologies and sizes including nanocubes, nanorods and nanotubes, will be researched by experiments and theoretical simulation. The shape- and size-dependent catalytic properties of VOCs will be investigated by the in situ Raman and other methods. The synerigsitic and interfacial effects of the bimetal will be explored by the types of dominant species and features on the surface of Ce-based catalysts. The crucial intermediates and terminal products in the oxidation course, and the important active species that initiate the conversion of toluene will be identified by in situ DRIFT, in order to clarify the reaction course and mechanism. The basis data and theoretical evidence will be obtained to develop the novel catalysts and to study the mechanism of low-temperture catalysis, and to eliminate the VOCs efficiently.

高效稳定、具有低温活性的新型催化剂是VOCs催化氧化领域中的研究热点。本项目以氧化铈及其复合氧化物降解甲苯为研究体系，以实验为主并辅以分子模拟可控合成具有立方体、棒状和管状特定形貌及尺寸的CeO2和CeO2-MnOX等铈基纳米催化剂，借助原位拉曼光谱和其他分析手段考察催化剂在VOCs降解过程中的形貌和尺寸效应；通过研究甲苯氧化中纳米铈基催化剂的优势表面物种的赋存形式和表面特性，探讨该反应过程中的双金属协同效应和界面效应；利用原位红外光谱等技术直接识别甲苯催化氧化的关键中间产物和终产物，及引发甲苯及其中间产物迁移、活化和完全氧化的重要活性物种，以阐明该体系的反应过程与机理，为新型催化剂的研制及其低温催化机理研究和有机污染物的有效消除提供基础数据和理论支持。

高效稳定、具有低温活性的新型催化剂是 VOCs 催化氧化领域中的研究热点。本项目以铈基纳米材料催化降解甲苯为反应体系，通过水热法可控合成出具有立方体、棒和颗粒状等特定形貌及尺寸的二氧化铈纳米材料，并探究了其晶体生长机制，通过催化剂结构与活性间构效关系的研究，阐明了二氧化铈催化氧化甲苯的形貌和尺寸效应；以形貌和尺寸可控合成的二氧化铈纳米材料为载体，分别原位引入不同含量的锰元素以及负载系列尺寸均一且单分散的铂纳米颗粒，通过拉曼、氧脉冲吸附等技术，系统地研究了催化剂表面氧物种、金属价态以及氧缺陷等结构，探讨该反应过程中的双金属协同效应和界面效应；利用原位红外光谱等技术识别甲苯催化氧化的关键中间产物和最终产物，采用原位拉曼光谱技术监测了反应过程中催化剂氧空位变化情况，明确了单位时间内单位活性中心转化了的反应物分子数，找出了决定反应速率的活性位点，阐明了该体系的反应过程与机理；向二氧化铈纳米棒材料原位引入镧系元素，实现了对催化剂氧空位浓度以及结构的调控，进一步提升了铈基纳米材料降解甲苯的低温催化活性。