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挥发性有机物(VOCs)是一类主要的大气污染物,能够对人体健康及环境产生危害。催化氧化法是一种有效且环境友好的技术,广泛应用于工业废气中VOCs的去除。针对目前贵金属催化剂成本高、易失活等问题,开发相对廉价的非贵金属催化剂是该技术推广的关键。本论文以具有良好的储氧/放氧能力的锰氧化物为主要活性组分,利用分子筛多孔、大表面积特点促进活性组分的分散和污染物分子的吸附和扩散,研究载体形貌对锰氧化物结构及性能影响;系统、深入研究反应过程中氧物种及气相氧在催化剂中的迁移、转化和循环过程;并进一步探讨银掺杂的作用机制及其催化性能。具体研究内容及取得的研究结果如下:(1)研究锰氧化物对甲苯和丙酮的催化性能。研究发现,两种VOCs在锰氧化物上催化氧化反应中产物CO2选择性差别较大。甲苯完全转化温度为220℃,反应过程中CO2选择性均可达到80%以上,反应过程中生成少量苯甲酸和苯甲醛中间产物;而丙酮在140℃时转化率就达到100%,但在该温度下生成的CO2选择性只有3.6%,180℃时选择性提升至83%,220℃时达到1 00%,反应时大量丙酮在转化过程中生成醋酸盐类物质。相对丙酮催化氧化,催化剂中氧物种在甲苯催化氧化过程中更容易被气相氧补充,从而促进氧物种在反应中的循环,有利于污染物的去除。(2)通过水热法合成了棒状(R)、六角(H)和纤维状(F)等不同形貌的SBA-15,以其作为载体合成了一系列MnOx/SBA-15催化剂,并考察其对甲苯的催化氧化性能。研究发现,载体的形貌对甲苯催化氧化活性有很大的影响。MnOx/R-SBA-15催化剂呈现最好的催化活性,230℃达到90%以上的甲苯催化转化率(同温度下MnOx/H-SBA-15活性为78%,MnOx/F-SBA-15为61%)。MnOx/R-SBA-15催化剂上较好的氧流动性、表面存在更多Mn2O3和表面晶格氧物种是其活性提高的主要因素,同时该催化剂体现出更好的甲苯扩散能力。(3)结合原位表面反应质谱技术和同位素实验方法,研究MnOx/SBA-15催化剂上甲苯催化氧化反应过程中氧物种(包括催化剂中氧物种和气相氧)迁移、转化和循环,明确获得反应中氧物种的状态和转化以及氧物种循环过程。研究中,根据动力学模型对反应参数(指前因子,速率常数)进行测定和计算,从理论上判断甲苯催化氧化反应在不同温度下所遵循的机理;通过原位表面反应质谱技术研究发现,催化剂中晶格氧参与甲苯氧化反应,吸附氧的存在降低反应温度;18O2同位素程序升温表面反应(TPSR)实验结果显示,C16O2、C16O18O 和 C18O2三种 CO2 产物中,C16O2、C16O18O 的生成遵循 Mars and van Krevelen机理,在多次脉冲实验中,C18O2的生成规律不同于C16O2和C16018O,主要由吸附氧物种生成,遵循Langmuir-Hinshelwood机理。随着反应温度升高,C18O2生成规律逐渐与另外两种CO2一致,C16O18O的生成比例逐渐升高,吸附氧在一定高温下不直接参与反应,晶格氧为活性物种,遵循Mars and van Krevelen机理。反应过程中,表面晶格氧逐渐被消耗,由气相氧进行补充,同时由Raman结果得知体相晶格氧可迁移到表面延续反应进行,消耗的部分由气相氧补充,构成甲苯氧化过程完整的气相-表面-体相氧物种循环。(4)系统研究Ag掺杂组分对MnOx/SBA-15催化剂结构及甲苯催化氧化性能的作用。研究发现,1 wt.%Ag的加入可明显提升催化剂对甲苯催化氧化低温活性(220℃的活性提升22%,225℃的活性提升13%)。Ag的加入明显增加了氧物种的流动性和形成更多表面晶格氧物种。原位18O2脉冲表面反应实验发现,三种CO2(C16O2、C16O18O和C18O2)的生成规律与MnOx/SBA-15相似,但C16O2和C16018O的生成量明显增加,C16O18O的生成比例也明显高于MnOx/SBA-15的C16018O的生成比例,说明反应中氧物种的迁移速率明显增加。与浸渍法合成的i-Ag-MnOx/SBA-15相比,沉淀法制备的Ag-MnOx/SBA-15催化剂上形成的具有明显缺陷的Ag与MnOx的界面结构促进了氧物种的循环过程,从而提高了催化剂的低温氧化活性。