氧化铈基纳米复合材料高效催化降解挥发性有机物

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过去数十年,挥发性有机化合物(VOCs)是造成光化学烟雾并对地球的臭氧层形成破坏的罪魁祸首,其排放已经变成了一个严重的环境问题。VOCs主要源于城市和工厂排放的废气,对人体健康有诸多危害,易致癌并诱发基因病变,因此,弄明白VOCs排放与发病率或死亡率之间的关系显得非常必要。目前健康与环境的相关问题已经迫使许多国家出台了相应的政策或法规,旨在降低或消除VOCs的排放。乙酸乙酯(EA)是众多的VOCs物质中被广泛使用的一种,是空气污染的主要成分之一,对人体健康有显著危害,它主要来源于涂料、染料等制造业排放的废气中。目前,催化氧化法被认为是有效的乙酸乙酯降解工艺,可以满足多种要求,例如较低的操作温度、对生态环境较为友好、高效率、成本低以及无NOx排放等等。基于此,本研究意图制备低成本和高效的催化剂,实现乙酸乙酯的低温度降解。  在研究中,通过无表面活性剂辅助的水热反应制备了一系列晶格掺杂的复合氧化物CeO2-CoOx和相应的纯相氧化物。并通过XRD(X射线衍射),Raman(拉曼光谱),SEM(扫描电镜),HRTEM(透射电镜)和N2吸附-脱附对催化剂的晶体结构、形貌和组织特性进行表征。XRD和Raman光谱的结果分析表明CeO2-Co3O4固溶体的形成导致了氧存储量及氧离子迁移率的增强。通过H2-TPR,XPS和正电子的湮没光谱对催化剂的氧化还原特性(包括晶格氧含量和氧空位)进行进一步的分析。乙酸乙酯的催化降解过程是无二次污染的,主要产物是二氧化碳和水,实验结果显示,乙酸乙酯的催化降解温度显著低于已知的文献报道。此外,我们也研究了氧存储能力和晶格氧离子的迁移特性对催化剂氧化还原能力及催化降解效率的影响。  众所周知,贵金属具有卓越的催化特性。为了得到活性更加优异的催化剂,我们制备了PdO负载的CeO2-CoOx催化剂。当我们使用更高浓度的乙酸乙酯对上述催化剂进行测试时,发现,该催化剂在高浓度(大流量)的条件下仍然表现出优异的催化性能(高活性),原因可归结为金属与载体之间的强相互作用(SMSI)。借助于XRD,光谱(XPS和Raman光谱)和H2-TPR,我们对这种相互作用进行了分析和研究,借助原位红外光谱(In-situ DRIFT)对其可能的催化机制也进行了探索,结果表明乙酸乙酯在降解过程中没有其他有毒的中间体(例如醛类)形成。  上述结果表明贵金属负载的CeO2-CoOx可以有效地降低乙酸乙酯的降解温度,进一步提升其催化性能,使乙酸乙酯在更低的温度下完成降解。催化机制的研究可以更好的理解催化过程中的反应路径和中间产物的形成,为制备其他新型催化剂提供坚实基础。
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