Pt/BCN活性位点催化剂常温催化苯类VOCs的研究

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挥发性有机物污染物(Volatile organic compounds,VOCs)所造成的环境污染是目前大气环境的突出问题。控制VOCs污染物有热焚烧、催化氧化、吸附和吸收等多种治理技术,其中催化氧化已成为可靠和有发展前景的VOCs减排技术之一。实现无外界能源输入的常温或室温条件下催化氧化VOCs,对于VOCs治理领域来说具有里程碑式的意义。本文选择具有稳定结构的苯作为探针分子,构建负载型硼碳氮化物新型催化剂,探究常温下空气氧化VOCs的催化降解行为。制备具有高比表面积和孔隙率的硼碳氮化物(BCN)作为载体,并构建分散均匀的贵金属活性位点催化剂。利用BCN载体的吸附性和贵金属位点优越的催化活性,以实现常温条件下苯分子的吸附与催化氧化降解。实验考察了催化剂制备条件对苯降解性能的影响,对催化剂的制备方法、负载金属的种类、金属负载量、制备p H和煅烧温度进行了优化,实验结果表明:采用浸渍法,在制备p H为9,煅烧温度为400℃的条件下,在BCN载体上负载0.5 wt%的Pt制得的催化剂(Pt/BCN)对苯有最佳的降解效果。通过XRD、SEM、TEM、BET、FTIR、XPS、H2-TPR和EPR等表征手段对Pt/BCN催化剂的微观结构、表面性质等进行了探究。SEM和TEM结果表明Pt/BCN-400催化剂的元素分布较为均匀,具有凹凸不平的鳞片状多孔表面,这样的结构有助于吸附和催化氧化反应物分子;XRD结果表明高于200℃的煅烧温度有助于提高金属的分散度,但不利于提高载体结晶度,并且在高分辨的透射电镜下也观察到载体的结晶度低;BET测试结果表明Pt/BCN-400催化剂具有最大的比表面积和孔容,且2~5 nm的孔径范围更有利于苯的吸附;XPS结果表明Pt~0和Pt2+为主要的金属存在价态,B和N元素与金属Pt形成了配位键有利于Pt的锚定和分散。构效关系表明,Pt/BCN-400催化剂由于具有最大的比表面积、孔隙率、Pt物种的高度分散、丰富的表面羟基和最佳的还原性能,因此比其他温度煅烧的催化剂有更佳的苯催化氧化效果。考察了反应工艺条件对苯去除的影响,在空速30000 m L/(g·h)、反应温度为30℃,苯初始浓度为300 mg/m~3,相对湿度20%时,具有最佳的苯降解性能。长时间稳定性高达46 h,催化剂循环使用5次后活性无明显减小。采用幂律模型对反应动力学数据进行拟合,得出反应的活化能为11.75 k J/mol,远低于现有文献中报道的苯催化氧化的活化能,说明该新型催化剂大大降低了反应的活化能。
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