工业生产过程排放到大气中的甲苯严重威胁大气环境和人类健康。本文将Ce-Zr基氧化物催化剂应用于甲苯的催化氧化过程,成功实现了甲苯的催化自持燃烧。研究内容重点围绕催化剂构效关系、甲苯催化自持燃烧的可操作域和甲苯催化氧化微观反应机理展开。采用等体积浸渍法制备了 CuxMn1-xCe0.75Zr0.25/TiO2催化剂(x=1、0.5和0),在微管反应器中研究了甲苯的催化自持燃烧。结果表明,催化剂的自持燃烧活性不仅取决于甲苯完全燃烧温度(Tco),还取决于其相应的贫燃极限。催化剂的贫燃极限越低,其活性越高。CuCe0.75Zr0.25/TiO2、Cu0.5Mn0.5Ce0.75Zr0.25/TiO2 和 MnCe0.75Zr0.25/TiO2 催化剂的贫燃极限分别为0.35 con.%、0.50 con.%和1.00 con.%,其活性顺序为CuCe0.75Zr0.25/TiO2(234℃)>Cu0.5Mn0.5Ce0.75Zr0.25/TiO2(238℃)>MnCe0.75Zr0.25/TiO2(284℃)。结合 H2-TPR、O2-TPD、XPS 和原位红外等表征结果可知,CuCe0.75Zr0.25/TiO2催化剂具有较高活性的原因是因为其良好的低温还原性和均匀分散性。甲苯通过断裂甲基上的α-H结合催化剂表面的活性氧吸附在催化剂表面,然后与表面晶格氧进行反应。在内径4 mm的微管反应器内对活性不同的CuCe0.75Zr0.25/TiO2和CuCe0.75Zr0.25Ox-细菌纤维素(BC)进行了甲苯自持燃烧贫燃极限研究及热量计算。结果表明,活性较高的CuCe0.75Zr0.25Ox-BC催化剂的贫燃极限小于活性较低的CuCe0.75Zr0.25/Ti02催化剂。当流量为200 mL/min时,其φ值最小,为0.024。混合气在催化剂表面的停留时间随混合气流量的增大而减小,使得催化自持燃烧的壁温高温区向催化剂床层后端移动,且温度随催化剂的活性的增高而降低。在散热率高达91.9%的情况下,甲苯仍可维持稳定的自持燃烧状态。同时结合微管反应实验结果和理论计算,在有效降低飞温上限对反应器和催化剂的影响下实现了甲苯在固定床反应器中的自持燃烧。在 XRD、TEM 和 H2-TPR 等技术研究 CuCe0.75Zr0.25Ox-BC、CuCe0.75Zr0.25Ox-BC(H)和Ceo.75Zr0.25Ox催化剂活性物种的基础上,不同催化剂上甲苯氧化原位红外实验结果表明,CuCe0.75Zr0.25Ox-BC催化剂的活性位主要包括表面CuO物种、Cu-Ce-Zr-O固溶体和Ce-Zr-O固溶体,其活性大小依次减小。对比有氧和无氧条件下的甲苯在CuCe0.75Zr0.25Ox-BC催化剂上反应的原位红外光谱发现,甲苯的催化氧化反应遵循MvK机理,而气相氧的存在还可促使吸附在催化剂表面的甲苯在常温下部分转化苯甲醇。