纳米IrAg/MnMxOy(M=Ce,Co,Cu)催化剂的构筑及其甲苯催化氧化反应性能研究

Volatile organic compounds (VOCs) are harmful to the environment and the human health. The purpose of this proposal is to design and preparation of the new catalysts with high performances at lower temperature, for degrading toluene using the catalytic combustion reaction. A new type of nano-layered MnMxOy (M=Ce, Co, Cu) sample is prepared by a self-propagating method, using as the new carrier. The noble metal Ir, and the bimetallic IrAg active component were loaded to obtain a series of new IrAg/MnMxOy catalysts, for the investigation of their catalytic performances in the toluene catalytic combustion. The effects of nano-particle size on the new catalyst will be investigated, as well as the doping effects on the activity of Ir active sites, and the synergistic effects of bimetallic IrAg in the deep catalytic oxidation of toluene. In addition, the plasma technical enhancement and lamellar material stripping-reassembly method will also be utilized to develop a new layered manganese-based composite oxide-supported noble metal (Ir) catalyst with nanocomposite structure, and their structure-performance analysis will be done for the toluene catalytic combustion. The sample stability will be studied. Combined with a variety of characterization methods, the regulation rule and the structure-activity relationship will be analyzed for the extended new catalysts. This proposed project has theoretical significance and application value for the scientific design and efficient preparation of new high performance catalysts for the toluene catalytic combustion.

挥发性有机物（VOC）对环境和健康造成危害。本申请以催化燃烧降解甲苯的低温高活性新型催化剂的研制和性能调控规律为研究目标，应用自蔓延方法制备纳米层状MnMxOy(M=Ce, Co, Cu)为新型载体，担载纳米贵金属（Ir, IrAg）得到系列IrAg/MnMxOy新型催化剂，进行甲苯催化燃烧反应的构效研究。拟研究新型催化剂上铱的纳米粒度效应、掺杂对Ir活性中心活性的影响规律和IrAg双金属在甲苯深度催化氧化中的协同效应。应用等离子体技术强化和层状材料剥离-再组装的方法进行纳米复合结构的层状锰基复合氧化物担载贵金属（Ir）新型催化剂的扩展研制，研究其在甲苯催化燃烧反应中的活性和稳定性调控；结合多种表征方法研究扩展催化剂的性能调控规律和构效关系。本项目对于甲苯催化燃烧用新型高性能催化剂的科学设计和高效制备具有理论意义和应用参考价值。

本基金工作主要在几个方面开展：1. 自蔓延法制备稀土元素La掺杂的层状氧化锰催化剂用于甲苯催化燃烧的研究，表征结果表明，LaMnO3钙钛矿与δ-MnO2相互作用，在Mn/La比为15时产生良好的催化甲苯燃烧行为。活性相载体相互作用增强，氧化还原能力提高，最终导致良好的甲苯燃烧性能，甲苯在275℃完全氧化，在258℃达到反应T90； 2.采用水解驱动氧化还原制备均相空心微球Cu－Mn基催化剂及其用于甲苯催化氧化成功地在Cu-Mn催化剂中创建了丰富的微尺度孔隙、同时有着良好的结晶度，不饱和配位的边缘位点，快速的氧化还原化学反应，以及反应过程中增强的气体扩散协同作用，导致了良好的甲苯氧化，在252℃时完全消除活性，在237℃时T90；3.以高锰酸钾和柠檬酸为前驱体，采用自蔓延法成功制备了一系列单相层状锰氧化物催化剂，并对其对甲苯的催化活性进行了研究；甲苯90%脱除温度(T90)和完全燃烧温度分别为252℃和300℃，这与文献中报道的负载型贵金属催化剂活性相似； 4.为了研究贵金属助剂对催化活性的促进作用，担载了少量的贵金属（Pt、或Ir、Ag）制备新型催化剂及其用于甲苯催化氧化；通过XRD、BET、H2-TPR、Raman、SEM、TEM、XPS等表征对所制备的一系列样品进行了构效分析和活性考察；样品0.5Pt-SDC-13在贵金属修饰的锰基基催化剂中催化性能最高，在228℃时达到T90，Mn基催化剂活性的提高应归因于贵金属促进后的氧密度等关键因素调控。5.通过改良自蔓延法制备Cu-Mn复合催化剂用于甲苯催化燃烧，通过调整阻断剂硅胶的量来微调氧化物的结构，在所合成的催化剂中，MnCu-2催化剂显示出较高的甲苯氧化能力，在237℃时转化率接近90%；这种出色的催化性能可归因于其有利的孔隙率、均匀的孔隙分布以及高的氧物种浓度。