MnFeOx氧化物催化剂常温催化氧化低浓度HCHO性能研究

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甲醛(HCHO)是挥发性有机化合物的典型代表物之一,是一种常见的室内空气污染物,长时间暴露于HCHO浓度超标的环境中会给人体产生巨大的负面影响。常温催化氧化是去除室内HCHO的有效方法之一,具有成本低、效率高、无二次污染等优点。本文MnFeOx氧化物为活性物种,合成制备了MnFeOx/TiO2和TiO2/MnFeOx两种催化剂,旨在无动力、常温条件下实现对室内低浓度气态HCHO的吸附和催化降解,研究考察制备方法、Mn/Fe摩尔比、负载量、焙烧温度、碱金属掺杂等因素对催化剂催化氧化HCHO性能的影响,通过XRD、SEM、BET、XPS、H2-TPR、in-situ FTIR等技术对催化剂的理化性质进行表征分析,得到以下主要结论:(1)基于MnFeOx/TiO2催化剂,当MnFeOx的负载量为10 wt%,n(Mn)/n(Fe)=4:1,焙烧温度为350℃时,催化剂常温催化氧化HCHO的性能最佳,其48h HCHO的去除率为87.6%。通过表征分析发现,MnFeOx作为活性组分负载于TiO2表面,形成大量类似球状的颗粒物,使催化剂的表面结构蓬松,比表面积增大,有利于常温催化氧化性能的提升。催化剂表面所形成的大量活性物种可将被吸附的HCHO氧化转化为甲酸盐和DOM等中间体,最终进一步氧化为CO2和H2O,实现常温催化氧化性能。(2)基于MnFeOx催化剂活性粉末,研究采用了共沉淀法和柠檬酸络合法制备了MnFeOx催化剂。研究发现,所制催化剂均展示出良好的催化氧化活性,48 h的HCHO去除率均达到了89%,但共沉淀法所制催化剂稳定性较差,其主要原因是催化剂表面吸附有大量水蒸气致使催化剂稳定性持续下降。然而柠檬酸络合法制备的MnFeOx催化剂主要呈现块状结构,其表面含有丰富的表面微孔结构,且比表面积显著增大,H2还原峰温度明显降低,均有利于催化剂对气态HCHO吸附和催化降解。(3)基于Bi3+-TiO2/MnFeOx催化剂,研究以常温催化氧化活性物种MnFeOx氧化物为载体,以光催化氧化物种铋掺杂的TiO2为活性物质之一,探索常温催化和光催化氧化气态HCHO的内在协作规律。研究发现,当Bi3+-TiO2的负载量为2 wt%时,HCHO前12 h去除率由46.2%提升至58.2%,48 h的HCHO去除率可达90.2%。当增加催化剂与气态HCHO接触面积时,可将气态HCHO浓度降低至国家标准以下。表征分析发现,Bi3+-TiO2负载可有效增加催化剂的表面吸附氧和晶格氧,有利于更多的氧分子活化为活性氧,加快反应速率,提高催化剂常温催化氧化性能。
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