低铂负载量催化剂上的甲醛室温完全氧化研究

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以甲醛为代表的室内污染严重威胁人们的身体健康,因此如何有效、简便地消除甲醛成为目前亟待解决的问题。催化氧化法能够将甲醛完全氧化为二氧化碳和水,其中贵金属负载催化剂能够实现室温完全氧化。但是,贵金属高负载量造成成本昂贵,难以大规模的推广和应用。因此,大幅度降低贵金属的用量同时还能保持室温催化性能是甲醛低温完全氧化的关键。  本课题以贵金属甲醛氧化催化剂廉价化为研究目标,开发了一种极低贵金属含量的以PbO为载体Pt催化剂用于甲醛室温完全氧化。研究结果显示,催化剂Pt-PbO在超低Pt负载量(0.1wt%)时能将甲醛气体(70-500ppm,120000h-1)室温完全氧化成无害的CO2和H2O,其反应性能与文献报道的高Pt含量(1-3%)的甲醛氧化贵金属催化剂相当。  结合XRD、SEM、FTIR、H2-TPR、EXAFS、XPS等丰富的表征手段和密度泛函(DFT)理论计算,系统研究了催化剂的结构、形貌、界面/表面化学性质和反应机理。发现PbO载体是高催化活性的关键因素。首先PbO对甲醛具有强吸附作用,从而有利于甲醛后续氧化分解。更为重要的是,XPS和EXAFS表征结果显示PbO载体和负载Pt颗粒间存在强相互作用,从而极大地提升催化剂的活性。具体表现在:两者间的作用限制了Pt颗粒的大小,促进金属颗粒的分散;强相互作用在载体和金属界面间形成类共价键的连接,在金属表面形成超薄氧化层,保护在氧化环境下的稳定性。  通过原位红外漫反射(In situ DRIFTS)对反应物及产物在活性中心的吸附状态和成键性质进行研究,推测了甲醛在催化剂Pt-PbO上完全氧化的反应机理:气相中甲醛分子首先化学吸附在催化剂表面上,部分吸附态的甲醛在Pt与载体PbO界面被氧化成中间体甲酸盐,然后中间体甲酸盐进一步被氧化形成CO2和H2O。其中载体PbO与贵金属Pt具有较强的相互作用,使Pt与载体PbO界面的表面晶格氧较为活泼,从而能够氧化甲醛。
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