近年來,霧霾天氣引起人們對空氣質(zhì)量的高度關(guān)注。而在眾多空氣污染物中,揮發(fā)性有機物(VOCs)是形成光化學(xué)煙霧和霧霾的重要因素之一。探索高效降解VOCs的處理方法,是解決當前空氣污染問題的重要途徑。催化氧化法是目前公認的去除VOCs最有效的途徑之一,而合成一種具有較好活性和穩(wěn)定性的催化劑是催化氧化去除VOCs的關(guān)鍵。
近日,大連理工大學(xué)精細化工國家重點實驗室梁長海教授團隊與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉中民院士合作研究發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦催化劑在VOCs脫除方面表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能和耐水性。通過制備一系列LaCoxMn1-xO3鈣鈦礦催化劑,并將其應(yīng)用于低碳VOCs丙烷的催化氧化反應(yīng)中。研究發(fā)現(xiàn)Co的摻入能夠顯著提高LaMnO3鈣鈦礦的催化活性,其中Co摻入量為20%時,LaCo0.2Mn0.8O3鈣鈦礦的催化活性最好,能夠使丙烷轉(zhuǎn)化率為90%時的反應(yīng)溫度降低25 °C。即使當反應(yīng)氣氛中存在CO2或者H2O條件下,LaCo0.2Mn0.8O3鈣鈦礦催化劑在355?°C反應(yīng)50?小時后仍保持優(yōu)異的催化活性。根據(jù)表征結(jié)果可知,Co的摻入能夠使LaMnO3晶格發(fā)生扭曲變形,在表面產(chǎn)生更多的活性氧物種,同時也具有更優(yōu)異的氧化還原能力。進一步在機理研究中發(fā)現(xiàn),Co的摻入有利于反應(yīng)物丙烷在催化劑表面的吸附和活化,使其在較低溫度下即可被完全生成CO2和H2O。此研究對鈣鈦礦催化劑的改性,及其在低碳VOCs催化氧化的應(yīng)用方面具有指導(dǎo)意義。相關(guān)工作以“Insight into the Effect of Cobalt Substitution on the Catalytic Performance of LaMnO3?Perovskites for Total Oxidation of Propane”為題發(fā)表在美國化學(xué)會The?Journal of Physical Chemistry C?124 (2020) 14646-14657 (https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c03084) 期刊上,并以封面論文形式予以報道。
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此外,從提升非貴金屬催化劑的催化性能角度出發(fā),研究團隊又以Co3O4-CeO2二元氧化物催化劑為體系研究其丙烷催化氧化性能。研究發(fā)現(xiàn)Ce的加入能夠明顯降低Co3O4的粒徑大小,同時其晶格也發(fā)生扭曲,促進了催化劑表面的氧空位產(chǎn)生,為氧的遷移提供晶格位點。另外,Co3O4與CeO2之間存在明顯相互作用,提高了催化劑的氧化還原性能。當催化劑中Co/(Ce+Co)摩爾比為70%時,其在310?°C就能實現(xiàn)高空速下(120000 mL g-1?h-1)丙烷90%以上的轉(zhuǎn)化率。相關(guān)工作以“Insight into catalytic properties of Co3O4-CeO2?binary oxides for propane total oxidation”為題發(fā)表在Chinese?Journal of?Catalysis?41 (2020) 679-690(https://doi.org/10.1016/S1872-2067(19)63523-0)上。
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以上研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0600305)和遼寧省“興遼英才計劃” (XLYC1908033)等項目支持。兩篇論文第一作者為大連理工大學(xué)朱文軍博士生,通訊作者為大連理工大學(xué)梁長海教授和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉中民院士。
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