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近年来，我国大气污染控制成效显著，空气质量已经有了明显改善，空气中PM2.5浓度大幅下降，但以挥发性有机物(VOCs)排放的持续增加，导致以臭氧(O3)为特征的大气复合污染问题却日趋严重。削减与控制大气污染物的排放是解决上述问题的关键。其中，催化氧化技术因具有经济高效、副产物较少等优点，已成为大气污染物排放控制最主要的技术。
本文选取广泛应用的铈基催化剂作为研究对象，以甲苯为目标污染物，通过控制水热反应条件，制备了具有不同形貌的CeO2催化剂，考察其结构性质差异，研究了不同形貌CeO2催化剂对甲苯的催化氧化性能；通过调整制备方法可控合成了具有不同组成结构的三维分层CeO2催化剂，考察了不同组织结构的CeO2纳米球之间的物化性质差异，研究了影响CeO2催化剂催化氧化甲苯的关键因素；制备了CeO2负载Pt催化剂，通过苯胺处理对其表面进行改性，考察了改性修饰对催化剂的影响，揭示了苯胺改性后的CeO2催化剂对甲苯的氧化机理；采用多种原位手段联用，深入研究CeO2催化剂上甲苯降解的真实反应过程，阐明了不同形貌CeO2催化剂下甲苯催化降解的反应机理。主要得出如下结论：
(1)通过水热法合成了不同形貌的CeO2催化剂(纳米棒(CeO2-R)、纳米立方块(CeO2-C)和纳米球(CeO2-S))。其中CeO2-S催化剂具有最大的比表面积(130.2m2 g-1)，同时还具有最高的氧空位含量和最优的氧化还原能力因此展现出了优异的甲苯催化氧化性能，能够在207℃下将1000ppm甲苯降解90%。同时，CeO2-S催化剂表现出了优异的长时间反应稳定性、可重复使用性和抗水性，这归因于CeO2-S催化剂独特的空心球形结构，以及由此造成的更大的比表面积和更丰富的表面氧空位。
(2)采用水热法制备了三种具有独特三维分层结构的CeO2纳米球催化剂，并考察了各催化剂的物化性质。结果表明，三种CeO2纳米球催化剂分别由纳米颗粒、纳米棒和纳米小球通过自组装而生成，分别命名为PS、RS和HS。HS催化剂具有最大的比表面积、最高的Ce3+含量和最强的氧化还原性能，同时还具备最多的表面氧空位和体相氧空位含量，因此展现出最高的甲苯催化氧化活性和TOF值。HS催化剂同样表现出优异的长时间稳定性和抗水性能。
(3)采用原位拉曼、在线红外和原位DRIFTs等多种原位手段联用对不同形貌CeO2催化剂氧化甲苯过程中的吸附状态、活性氧物种和中间产物进行考察，阐明了甲苯催化氧化的反应机理。结果表明，甲苯以π键的形式平行的吸附在CeO2-R和CeO2-S催化剂表面，且这种吸附方式产生的强作用力可以使甲苯中的苯环活化，有利于甲苯的开环分解；而在CeO2-C催化剂表面，甲苯则是以形成σ键的形式垂直吸附在其表面。空气中O2分子在CeO2-R和CeO2-S催化剂表面吸附后形成了η1-超氧物种O2-ads及η2-过氧物种O22-ads，其中O2-ads物种对于甲苯的深度活化具有十分重要的作用，而O22-ads物种则有利于CeO2催化剂的“再氧化”过程。甲苯在CeO2催化剂表面的催化降解过程可能存在两种机理：部分以平行方式吸附在催化剂表面的甲苯被O2-ads物种直接氧化，发生开环降解生成CO2和H2O，另外一部分甲苯则由催化剂表面的活性氧经过苯甲醇-苯甲醛-苯甲酸的过程，最后彻底矿化生成CO2和H2O。
(4)进一步采用浸渍法对制备的CeO2进行Pt的负载改性，并通过苯胺预处理来对负载过程进行调变。结果表明，苯胺改性处理能够提高Pt/CeO2催化剂表面贵金属的分散度，带来的N掺杂可以还影响与其接触的Pt原子的电子结构。经过苯胺改性处理的催化剂，其金属载体之间强相互作用更强，从而使得界面附近的Pt原子和表面氧空位活性变强。Pt/CeO2催化剂的对甲苯催化遵循“双活性位点机制”，即其甲苯催化活性是Pt颗粒和表面氧空位共同作用的结果。0.9Pt/CeO2-A催化剂展现出最高的甲苯催化活性，这可以归因于苯胺改性处理使其具有更高的Pt分散度、更高的氧空位浓度和更高的单位活性位点转化频率。经过苯胺改性处理之后，负载Pt型CeO2催化剂的稳定性和抗水性能都有了明显提升。
本文选取广泛应用的铈基催化剂作为研究对象，以甲苯为目标污染物，通过控制水热反应条件，制备了具有不同形貌的CeO2催化剂，考察其结构性质差异，研究了不同形貌CeO2催化剂对甲苯的催化氧化性能；通过调整制备方法可控合成了具有不同组成结构的三维分层CeO2催化剂，考察了不同组织结构的CeO2纳米球之间的物化性质差异，研究了影响CeO2催化剂催化氧化甲苯的关键因素；制备了CeO2负载Pt催化剂，通过苯胺处理对其表面进行改性，考察了改性修饰对催化剂的影响，揭示了苯胺改性后的CeO2催化剂对甲苯的氧化机理；采用多种原位手段联用，深入研究CeO2催化剂上甲苯降解的真实反应过程，阐明了不同形貌CeO2催化剂下甲苯催化降解的反应机理。主要得出如下结论：
(1)通过水热法合成了不同形貌的CeO2催化剂(纳米棒(CeO2-R)、纳米立方块(CeO2-C)和纳米球(CeO2-S))。其中CeO2-S催化剂具有最大的比表面积(130.2m2 g-1)，同时还具有最高的氧空位含量和最优的氧化还原能力因此展现出了优异的甲苯催化氧化性能，能够在207℃下将1000ppm甲苯降解90%。同时，CeO2-S催化剂表现出了优异的长时间反应稳定性、可重复使用性和抗水性，这归因于CeO2-S催化剂独特的空心球形结构，以及由此造成的更大的比表面积和更丰富的表面氧空位。
(2)采用水热法制备了三种具有独特三维分层结构的CeO2纳米球催化剂，并考察了各催化剂的物化性质。结果表明，三种CeO2纳米球催化剂分别由纳米颗粒、纳米棒和纳米小球通过自组装而生成，分别命名为PS、RS和HS。HS催化剂具有最大的比表面积、最高的Ce3+含量和最强的氧化还原性能，同时还具备最多的表面氧空位和体相氧空位含量，因此展现出最高的甲苯催化氧化活性和TOF值。HS催化剂同样表现出优异的长时间稳定性和抗水性能。
(3)采用原位拉曼、在线红外和原位DRIFTs等多种原位手段联用对不同形貌CeO2催化剂氧化甲苯过程中的吸附状态、活性氧物种和中间产物进行考察，阐明了甲苯催化氧化的反应机理。结果表明，甲苯以π键的形式平行的吸附在CeO2-R和CeO2-S催化剂表面，且这种吸附方式产生的强作用力可以使甲苯中的苯环活化，有利于甲苯的开环分解；而在CeO2-C催化剂表面，甲苯则是以形成σ键的形式垂直吸附在其表面。空气中O2分子在CeO2-R和CeO2-S催化剂表面吸附后形成了η1-超氧物种O2-ads及η2-过氧物种O22-ads，其中O2-ads物种对于甲苯的深度活化具有十分重要的作用，而O22-ads物种则有利于CeO2催化剂的“再氧化”过程。甲苯在CeO2催化剂表面的催化降解过程可能存在两种机理：部分以平行方式吸附在催化剂表面的甲苯被O2-ads物种直接氧化，发生开环降解生成CO2和H2O，另外一部分甲苯则由催化剂表面的活性氧经过苯甲醇-苯甲醛-苯甲酸的过程，最后彻底矿化生成CO2和H2O。
(4)进一步采用浸渍法对制备的CeO2进行Pt的负载改性，并通过苯胺预处理来对负载过程进行调变。结果表明，苯胺改性处理能够提高Pt/CeO2催化剂表面贵金属的分散度，带来的N掺杂可以还影响与其接触的Pt原子的电子结构。经过苯胺改性处理的催化剂，其金属载体之间强相互作用更强，从而使得界面附近的Pt原子和表面氧空位活性变强。Pt/CeO2催化剂的对甲苯催化遵循“双活性位点机制”，即其甲苯催化活性是Pt颗粒和表面氧空位共同作用的结果。0.9Pt/CeO2-A催化剂展现出最高的甲苯催化活性，这可以归因于苯胺改性处理使其具有更高的Pt分散度、更高的氧空位浓度和更高的单位活性位点转化频率。经过苯胺改性处理之后，负载Pt型CeO2催化剂的稳定性和抗水性能都有了明显提升。