三维有序介孔二氧化锰制备及其甲醛催化氧化性能

空气中的甲醛主要来源于化工、建材、涂料、装潢材料以及机动车尾气.甲醛具有光化学活性,对人体具有致癌致畸作用.高浓度甲醛对人体健康和空气环境危害极大,室内低浓度甲醛对人体也有很大伤害.因此,消除室内、机动车尾气以及工业生产过程中的甲醛非常必要.目前,去除甲醛的方法主要有吸附法、光催化法和催化燃烧法.其中,催化燃烧法具有去除效率高、起燃温度低、适用范围广、设备操作简单以及无二次污染等优点,因而非常适用于去除高浓度和低浓度甲醛.该方法的核心是催化剂的制备和筛选.近年来,用于甲醛催化燃烧的催化剂主要是负载型贵金属和金属氧化物.由于贵金属催化剂成本较高,所以金属氧化物催化剂备受关注.MnO2种类繁多,既包括人工合成的棒状、线状、管状、球状和孔状等形貌,还包括自然界存在的α,β,γ和δ等类型.其中,介孔MnO2因具有较大的比表面积和特殊的孔道而应用于乙醇、甲苯、苯等挥发性有机物的催化氧化反应.目前,尚未见三维(3D)有序介孔MnO2催化氧化甲醛的报道.本文以合成的3D有序介孔KIT-6分子筛为硬模板剂,采用纳米浇筑法制备出3D有序介孔MnO2材料.为了比较,采用水热法合成了α-MnO2和p-MnO2纳米棒.采用X射线粉末衍射、N2吸附-脱附、透射电子显微镜和X射线能谱(XPS)等方法对催化剂进行了表征.在微型固定床石英管反应器上评价了催化剂催化甲醛氧化活性,采用气相色谱(GC)联接热导检测器(TCD)和质谱检测器(MSD)检测产物和反应物的含量.表征结果表明,3D-MnO2复制了KIT-6硬模板的三维有序立方对称介孔结构(ia3d),且具有金红石型β-MnO2晶相,属软锰矿,具有较大的比表面积和双孔分布介孔结构,最大孔径分别位于3.7和11.4nm处.3D-MnO2样品具有清晰的孔道结构,而α-MnO2和p-MnO2纳米棒为无孔的一维纳米单晶材料.另外,3D-MnO2表面暴露了较多的(110)晶面,有利于增加表面Mn4+离子.XPS结果证实3D-MnO2表面存在较多的Mn4+离子,这些Mn4+离子为甲醛催化反应提供了丰富的活性位,有利于提高甲醛氧化活性.评价结果表明,3D-MnO2具有良好的低温催化性能,于130℃即可将甲醛完全转化成CO2和H2O;而在同样条件下,α-MnO2纳米棒和β-MnO2纳米棒分别在140和180℃才能完全转化甲醛.3D-MnO2具有良好的甲醛催化性能主要归因于特殊的介孔结构、较大的比表面积和较多的表面Mn4+离子.     

金属掺杂γ-MnO_2在乙醇气相选择氧化和CO氧化中的构效关系（英文）

二氧化锰(MnO_2)因具有制备简单、Mn~(4+)/Mn~(~(3+))/Mn~(~(2+))混合的金属价态、可调变的晶型结构(如α,β,γ,δ等)、丰富的表面氧缺陷和活泼的晶格氧等特点,在多相催化领域被广泛用作需氧氧化催化剂.MnO_2催化气相氧化主要集中在催化燃烧或完全氧化,催化性能最佳的MnO_2晶型因反应底物不同会有所差异.由于其氧化催化活性较高、选择性难于控制, MnO_2这类结构丰富、价廉易得的催化剂在气相选择氧化制高附加值化学品中面临着机遇和挑战.乙醇气相选择氧化制乙醛符合绿色和可持续性化学工业的发展需求,被认为是替代传统高污染、高成本的乙烯瓦克氧化工艺的最佳选择.MnO_2在催化乙醇燃烧中应用广泛,不同晶型MnO_2中α-MnO_2的活性最高.我们已经报道了非变价金属离子掺杂α-MnO_2 (M-OMS-2),特别是具有最强表面碱性和可还原性的Na-OMS-2在乙醇气相选择氧化中获得了高达66%的乙醛产率和与贵金属催化剂相接近的催化效率.然而,不同晶型MnO_2对乙醇气相选择氧化催化性能的影响,以及选择氧化和完全氧化所需的MnO_2晶型和结构性质是否一致尚不清楚.这些问题的阐明无疑能够指导更高性能MnO_2选择氧化催化剂的设计合成.本文首先制备了四种晶型(α,β,γ,δ)MnO_2,并将其应用于气相乙醇选择氧化和CO氧化,惊喜地发现γ-MnO_2在这两类反应中均表现出最高的催化活性,这与之前报道的乙醇催化燃烧和CO氧化结果明显不同,证明了MnO_2的晶型结构和反应条件对其催化氧化性能有重要影响.为了深入研究γ-MnO_2在乙醇气相选择氧化和CO氧化中的构效关系,通过一锅水热法制备了金属掺杂的M-γ-MnO_2 (M=Cu~(2+), Zn~(2+), Mg~(2+), Co~(2+), Ni~(2+), Ca~(2+), Al~(3+), Fe~(3+), La~(3+)).采用多种表征手段证明了金属掺杂能够有效地调变γ-MnO_2的结构组成、表面酸碱性和可还原性.制得的M-γ-MnO_2催化剂在CO和乙醇氧化中显示出不同的活性顺序,发现CO氧化中催化剂的酸碱性更加重要.具有最高表面碱性/酸性位点摩尔比的Zn-γ-MnO_2在CO氧化中活性最佳,其表面锰物种和氧物种的氧化态在反应前后基本不变,表明M-γ-MnO_2上的CO氧化遵循基于晶格氧的Mars-vanKrevelen机理.与之不同的是,催化剂的可还原性是影响乙醇气相选择氧化性能的更主要因素.具有最高表面可还原性的Cu-γ-MnO_2于200°C获得了最高75%的乙醛产率和较好的催化稳定性,这归因于其在较低温度下存在更多的Mn~(2+)/Mn~(3+)缺陷位和氧空位,这有利于O_2和乙醇的低温活化.进一步的动力学研究表明, O_2和乙醇浓度对反应速率影响不大,而空速的增大能够大幅度提高乙醛的时空收率.同位素效应证明醇羟基断裂仍然是反应的速控步骤,因此表面晶格氧和吸附氧物种均参与了乙醇活化.     

不同KIT-6老化温度制备的介孔MnO_2孔径对其催化氧化乙醇的影响（英文）

乙醇既是一种被广泛使用的溶剂,也大量存在于乙醇燃料车尾气中.它是一种挥发性有机化合物(VOCs),能直接参与光化学反应影响空气质量,因此去除乙醇很有必要.催化氧化法消除VOCs是很有前景的技术,其关键是催化剂的制备和筛选.目前,用于乙醇催化氧化的催化剂主要是贵金属催化剂(Pt,Pd,Rh,Au,Ag)和金属氧化物催化剂(Cu,Mn,Co,Fe),此外,还有一些钙钛矿型催化剂.MnO_2具有多种结构(α,β,γ和δ)和形貌(管状,棒状,球状和孔状等).不同形貌和结构的MnO_2具有不同的VOCs催化氧化性能.我们已经报道了介孔MnO_2,特别是三维有序介孔MnO_2,具有良好的乙醇催化氧化活性,有一定的应用前景.然而,KIT-6老化温度对介孔MnO_2孔径的影响,以及MnO_2孔径对催化氧化乙醇活性的影响尚不清楚.如果通过调整KIT-6老化温度改变介孔MnO_2的孔径,很有可能改善催化剂低温还原性,氧物种和活性位等,进而提高其催化性能.本文以40,100和150°C老化合成的KIT-6介孔硅为硬模板,制备出不同的介孔MnO_2催化剂,分别记作Mn-40,Mn-100和Mn-150,用于乙醇氧化反应中,讨论了催化剂孔径对其活性的影响.采用X射线粉末衍射(XRD),氮气吸附-脱附(BET),扫描电子显微镜(SEM),氢气程序升温还原(H2-TPR),氧气程序升温脱附(O2-TPD),X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂进行了表征.XRD广角结果表明,各催化剂均具有软锰矿型MnO_2晶相,其中Mn-40催化剂存在少量Mn2O3晶相.XRD小角和SEM结果表明,各催化剂均为介孔材料,Mn-100催化剂的有序度和对称性最好,KIT-6老化温度的改变使Mn-40和Mn-150的有序度和对称性降低.BET结果表明,Mn-40,Mn-100和Mn-150分别具有三孔,双孔和单孔体系.随着KIT-6老化温度的降低,KIT-6的孔径降低,而介孔MnO_2催化剂的孔径增加.XPS结果表明,Mn-40因少量Mn2O3晶相的存在而具有较多的Mn3+阳离子和表面晶格氧物种,能增加催化剂氧空位的数量,有利于氧物种的吸附,活化和迁移,从而增强催化活性.TPR和TPD表明,Mn-40催化剂具有良好的低温还原性,它的氧物种容易在低温下脱附并参与氧化反应.催化剂活性测试结果表明,随着介孔MnO_2催化剂的孔径增加,其活性增加.催化剂孔径和活性从大到小的顺序为Mn-40Mn-100Mn-150.以老化温度为40 oC的KIT-6模板制备的Mn-40催化剂,具有较高的乙醇转化频率(TOF),120 oC的TOF为0.11 s.1.Mn-40催化剂具有良好的乙醇氧化催化活性归因于较大孔径,其孔径呈三孔体系分布,最大孔径分布在1.9,3.4和6.6 nm处,三孔体系的形成是因为催化剂孔道的对称性和有序度降低.此外,Mn-40催化剂具有良好的乙醇氧化催化活性也归因于由较多Mn3+阳离子引起的较多表面晶格氧物种和氧空位以及较好的低温还原性     

MnO2催化剂用于催化氧化含氯芳香烃的形貌效应与反应机制研究

含氯挥发性有机物(Chlorinated VOCs)被广泛应用于工业、农业、医药、有机合成等领域,在使用过程中会通过挥发、泄漏、废气排放等途径进入大气环境中,造成臭氧层破坏与光化学烟雾,且很难被生物降解,对人体具有很强的"三致"效应.在众多治理方法中,催化燃烧因高效低能耗的特点而被认为是具有应用前景的含氯VOCs处理方式,然而催化剂中毒以及毒副产物生成极大限制了该技术的工业应用.锰基催化剂由于价格低廉、来源广泛以及价态多变等特点被广泛应用于环境催化领域,包括甲醛、甲苯、CO催化氧化以及选择性催化还原脱硝等.MnO_2的晶体形貌与其催化性能息息相关,二者的构效关系已有广泛研究,但在含氯VOCs催化氧化中,MnO_2的形貌特征与催化活性、反应稳定性、副产物等的关系尚不明晰.因此,本文通过水热法制备了纳米棒状γ-MnO_2,纳米管状α-MnO_2以及具有层状结构的δ-MnO_2,系统研究了这三种形貌结构在氯苯催化氧化中的反应特征,利用XRD,XPS,TPR,TPD,吡啶-IR等手段对催化剂的形貌、表面元素价态、氧化还原性能以及表面酸性等进行了表征,获得了MnO_2在含氯VOCs催化氧化应用中的构效关系.XRD以及SEM分析结果表明,三种形貌的MnO_2样品均由水热法成功制得.H_2-TPR和O_2-TPD测试分析显示,MnO_2催化剂的氧化还原性能按如下顺序递减δ-MnO_2≥γ-MnO_2α-MnO_2,与这些催化剂活性测试中的氯苯转化率结果一致,但与其CO_2选择性的结果不一致.氧化还原能力最佳的δ-MnO_2上CO_2选择性表现最差,即使提高温度仍无法提升.XPS结果表明,三种催化剂的Mn元素平均价态高低顺序为δ-MnO_2(3.80)α-MnO_2(3.75)≥γ-MnO_2(3.74).δ-MnO_2催化剂表面因具有最丰富的Mn~(4+),反应过程中易生成强的Mn-Cl键,从而抑制了Cl与解离水反应生成HCl,导致催化剂富集氯失活,CO_2选择性差.对反应尾气及催化剂表面产物分析后发现,三种MnO_2催化剂均生成了具有更高毒性的多氯副产物,其中主要有CHCl_3,CCl_4,C_2HCl_3,C_2Cl_4等,尤其在α-MnO_2催化剂表面发现了二氯苯存在,其可能通过进一步的亲核取代生成氯苯酚,并最终聚合成二噁英类物质.     

表面物理化学性质对不同晶型MnO_2的NH_3-SCR活性影响（英文）

氮氧化物(NO_x)是主要的大气污染物之一,给环境和人类健康带来巨大危害.NH_3选择性催化还原(NH_3-SCR)技术是处理氮氧化物最有效的方法之一,现已被广泛用于氮氧化物的处理,其中SCR催化剂是该技术的核心.锰基催化剂具有相对较好的低温催化活性,而其中MnO_2的催化活性最为突出.二氧化锰可以形成多种晶型,如α,β,δ和γ.晶相结构可显著影响催化活性,不同晶型的MnO_2具有不同的催化性能,其在电化学催化和CO催化方面已经得到广泛应用和研究.然而对于不同晶型MnO_2的NH_3低温选择催化还原NO_x的催化活性和催化机理的研究特别少.α-,β-,γ-和δ-MnO_2具有不同的晶型尺寸,并在气体吸附、气体扩散和催化反应过程中表现出较大差异.因此,有必要揭示不同MnO_2晶型表面物理化学性质与SCR催化活性之间的关系.本文成功制备出四种不同晶型的纳米MnO_2(α,β,δ和γ型)催化剂,并测试了其NH_3低温选择催化活性.此外,对催化剂进行了XRD,SEM,Raman,TG,BET,NH_3-TPD,XPS和H_2-TPR等一系列测试表征,探究了导致不同晶型MnO_2的NH_3催化还原NO_x差异的主要原因.结果表明,四种不同晶型纳米MnO_2的NH_3-SCR催化活性顺序为γ-MnO_2α-MnO_2δ-MnO_2β-MnO_2.γ-MnO_2和α-MnO_2上的NO_x转化率在140–200°C范围内可达90%以上,但β-MnO_2在200°C只有40%的NO_x转化率.分析表明,γ-MnO_2和α-MnO_2的纳米线形貌具有较好的分散性,导致它们的比表面积较高,这为活性位点提供了更多的分散空间,有利于活性气体分子的吸附和催化过程的进行.H_2-TPR和NH_3-TPD结果显示,γ-MnO_2和α-MnO_2比其他两种晶型的MnO_2催化剂具有较好的可还原性和更多更强的酸性位点.XPS分析结果表明,在γ-MnO_2和α-MnO_2表面存在更多的化学吸附氧.基于上述这些有利的物理化学性质,γ-MnO_2和α-MnO_2催化剂显示出较好的低温NH_3-SCR活性.尽管δ-MnO_2的比表面积较小,但是NH_3-TPD结果显示其层状形貌的纳米晶体表面分散有较多的酸性位点,从而有效提升了其催化效果,同时其较好的氧化还原性能也有助于催化性能的改善.     

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正封面:面向能源、环境、绿色化工等领域的广泛需求,近年来多种新型多孔材料问世,其中介孔材料、杂化多孔固体如金属有机骨架结构等具有有序孔道结构的催化材料得到蓬勃发展,本期"新型多孔催化材料"专栏,封面选载了3篇报道,分别为可高效催化甲醇电催化氧化且抗CO中毒的介孔碳负载PtRu等合金催化剂、低温氧化甲醛的三维有序介孔MnO_2材料、具有优异硝基苯催化加氢活性的MIL-101负载NiPd核壳纳米催化剂.     

甲醛催化氧化催化剂的研究进展（英文）

甲醛是致癌致畸物并具有较强的光化学活性.它既来源于纺织、农药、板材或其他精细化学品的生产过程,又来源于机动车尾气和室内各种装潢材料.为了人体健康和大气环境去除甲醛非常必要.用催化氧化法去除甲醛是一种很有前景的技术,但是该技术的关键是研究和发展催化剂.近年来,用于甲醛氧化的催化剂主要分为贵金属催化剂和过渡金属氧化物催化剂.贵金属催化剂是将Pt,Pd,Au,Ag等贵金属负载在不同类型的载体上而制得.载体可分为常见载体、传统金属氧化物载体和特殊形貌金属氧化物载体.常见载体是具有较大比表面积的SiO_2,Al_2O_3,TiO_2和分子筛等.这类载体有利于活性位的暴露以及反应物和产物的吸附和扩散,而且还能增强载体和活性组分的协同作用.负载在常见载体上的不同贵金属催化剂,其甲醛氧化活性从强到弱排列是:PtPdRhAuAg.用这种载体制备的催化剂具有很出色的应用前景.比如Na-Pt/TiO_2是甲醛氧化活性最好的催化剂,目前己被应用在空气净化器中,其次是Pt/TiO_2和Pd/TiO_2.传统金属氧化物载体主要是采用沉淀法、共沉淀法制备的CeO_2,Fe_2O_3,Co_3O_4,MnO_2及其复合氧化物,这类载体负载Pt的催化剂仍然具有出色的室温催化性能,如Pt/MnO_x-CeO_2和Pt/Fe_2O_3等.虽然Pt负载型催化剂应用前景很好,但是其成本较高,工业生产和普及受到限制.用传统金属氧化物载体制备的催化剂如Au/CeO_2,Ag/MnO_x-CeO_2和Ag/CeO_2等同样具有良好的发展前景.对于提高甲醛氧化活性来说,载体的选择至关重要.未来研究趋势可能是甲醛氧化负载型催化剂更多的会选择Ag或Au作为活性组分,而一些有潜力的传统金属氧化物载体将被使用不同的制备方法进一步改良.目前,拥有棒状、球状、孔状等特殊形貌的金属氧化物载体因为它们本身的催化活性要优于用沉淀法制备的传统金属氧化物催化剂,因此,将Ag或Au负载在这类载体上制备的催化剂具有更好的应用前景,如三维(3D)有序大孔Au/CeO_2-Co_3O_4,二维有序介孔Au/Co_3O_4-CeO_2和Au/Co_3O_4以及三维有序介孔K-Ag/Co_3O_4等.过渡金属氧化物催化剂,因成本低,资源丰富而受到关注.单一过渡金属氧化物催化剂如锰钾矿型的MnO_2纳米棒或纳米球,介孔MnO_2,Co_3O_4和Cr_2O_3等,具有较好的甲醛氧化催化活性(T_(50)和T_(100)分别小于等于110和140℃).另外,Ce,Sn,Cu和Zr等元素常常被掺杂到MnO_x和Co_3O_4中,制备成复合金属氧化物催化剂,MnO_x-CeO_2具有较好的甲醛催化活性(T_(50)100℃),因为MnO_x和CeO_2较强的相互作用改变了表面活性氧和活性相的数量.目前,复合金属氧化物催化剂氧化甲醛的报道很少.随着制备方法的改变,单一过渡金属氧化物或他们的复合氧化物催化剂可能会成为贵金属催化剂的替代品.目前,如何获得高效、低成本、低温甚至常温去除甲醛的催化剂仍然是一项重要的挑战.特殊形貌的金属氧化物催化剂如3D-Cr_2O_3,3D-Co_3O_4,MnO_2纳米球和纳米棒,在常温下完全转化甲醛仍然是个难以越过的鸿沟.将来,多种形貌的新型纳米金属氧化物及其Au或Ag负载型催化剂的制备和发展会成为一个研究趋势.这种催化剂既能被用于甲醛的催化氧化,也能被用于苯系物或其他VOCs的催化氧化.它能为机动车尾气和工业生产中VOCs产生量的削减提供技术支撑,而VOCs的去除有益于PM2.5浓度的降低和空气质量的恢复.     

不同KIT-6老化温度制备的介孔MnO2孔径对其催化氧化乙醇的影响

乙醇既是一种被广泛使用的溶剂, 也大量存在于乙醇燃料车尾气中. 它是一种挥发性有机化合物(VOCs), 能直接参与光化学反应影响空气质量, 因此去除乙醇很有必要. 催化氧化法消除VOCs 是很有前景的技术, 其关键是催化剂的制备和筛选. 目前, 用于乙醇催化氧化的催化剂主要是贵金属催化剂(Pt, Pd, Rh, Au, Ag)和金属氧化物催化剂(Cu, Mn, Co, Fe),此外, 还有一些钙钛矿型催化剂. MnO2具有多种结构(α, β, γ和δ)和形貌(管状, 棒状, 球状和孔状等). 不同形貌和结构的MnO2具有不同的VOCs 催化氧化性能. 我们已经报道了介孔MnO2, 特别是三维有序介孔MnO2, 具有良好的乙醇催化氧化活性, 有一定的应用前景. 然而, KIT-6老化温度对介孔MnO2孔径的影响, 以及MnO2孔径对催化氧化乙醇活性的影响尚不清楚. 如果通过调整KIT-6老化温度改变介孔MnO2的孔径, 很有可能改善催化剂低温还原性, 氧物种和活性位等, 进而提高其催化性能. 本文以40, 100和150 ℃ 老化合成的KIT-6介孔硅为硬模板, 制备出不同的介孔MnO2催化剂, 分别记作Mn-40, Mn-100和Mn-150, 用于乙醇氧化反应中, 讨论了催化剂孔径对其活性的影响. 采用X 射线粉末衍射(XRD), 氮气吸附-脱附(BET), 扫描电子显微镜(SEM), 氢气程序升温还原(H2-TPR), 氧气程序升温脱附(O2-TPD), X 射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂进行了表征. XRD 广角结果表明, 各催化剂均具有软锰矿型MnO2晶相, 其中Mn-40催化剂存在少量Mn2O3晶相. XRD 小角和SEM结果表明, 各催化剂均为介孔材料, Mn-100催化剂的有序度和对称性最好, KIT-6老化温度的改变使Mn-40和Mn-150的有序度和对称性降低. BET 结果表明, Mn-40, Mn-100和Mn-150分别具有三孔, 双孔和单孔体系. 随着KIT-6老化温度的降低, KIT-6的孔径降低, 而介孔MnO2催化剂的孔径增加. XPS 结果表明, Mn-40因少量Mn2O3晶相的存在而具有较多的Mn3+阳离子和表面晶格氧物种, 能增加催化剂氧空位的数量, 有利于氧物种的吸附, 活化和迁移, 从而增强催化活性. TPR 和TPD表明, Mn-40催化剂具有良好的低温还原性, 它的氧物种容易在低温下脱附并参与氧化反应. 催化剂活性测试结果表明, 随着介孔MnO2催化剂的孔径增加, 其活性增加. 催化剂孔径和活性从大到小的顺序为Mn-40>Mn-100>Mn-150. 以老化温度为40 ℃的KIT-6模板制备的Mn-40催化剂, 具有较高的乙醇转化频率 (TOF), 120 ℃的TOF 为0.11 s-1. Mn-40催化剂具有良好的乙醇氧化催化活性归因于较大孔径, 其孔径呈三孔体系分布, 最大孔径分布在1.9, 3.4和6.6 nm 处, 三孔体系的形成是因为催化剂孔道的对称性和有序度降低. 此外, Mn-40催化剂具有良好的乙醇氧化催化活性也归因于由较多Mn3+阳离子引起的较多表面晶格氧物种和氧空位以及较好的低温还原性.     

制备方法对LaMnO_3上氯乙烯催化燃烧性能的影响（英文）

含氯挥发有机物(CVOCs)广泛用于化工原料以及有机溶剂,由于其毒性大,难降解,直接排放可引起严重的空气污染问题,采用催化燃烧的技术可以实现CVOCs高效净化,其关键在于高活性和高稳定性的催化剂.CVOCs净化催化剂主要有负载型贵金属催化剂、(复合)氧化物催化剂和复合分子筛催化剂.我们以具有高稳定性的LaMnO_3钙钛矿为研究对象,主要考察了不同制备方法对于氯乙烯催化燃烧性能的影响;并通过XRD,Raman,N_2-吸附脱附,O_2-TPD,H_2-TPR,ICP-AES,XPS等表征方法研究催化剂的结构和物化性能.性能评价结果表明,MnO_2虽具有良好的催化性能,但LaMnO_3催化剂则具有更好的循环稳定性.同时,制备方法对LaMnO_3催化剂上氯乙烯催化燃烧的性能有显著的影响,其活性高低的顺序为:溶胶凝-胶法(SG)共沉淀法(CP)硬模版剂法(HT)水热法(HM),其中LaMnO_3-SG催化剂在182℃时氯乙烯的转化率即可达到90%.XPS结果表明,不同的制备方法导致LaMnO_3催化剂表面La和Mn的富集程度不同,并显著影响了催化剂表面Mn离子的价态、分布和氧空穴的数量.其中,LaMnO_3-SG催化剂具有最高的表面Mn~(4+)浓度,其对应的氯乙烯催化燃烧活性最高.而对于LaMnO_3-HM催化剂,La(OH)3的生成导致其具有最高的表面La/Mn比(2.29)和最低的表面Mn~(4+)浓度.由XPS计算氧空穴浓度可知,LaMnO_3-SG催化剂氧空穴浓度(1.03)远高于LaMnO_3-HM催化剂表面的氧空穴浓度(0.07),进而LaMnO_3-SG在O_2-TPD中表现出更高的O_2脱附量.进一步分析可知Mn~(4+)离子浓度与氧空穴浓度成正相关的关系,即:Mn~(4+)离子浓度越高,则表面氧空穴浓度越高.而催化剂表面氧空穴浓度越高,则有利于氧在催化剂表面的吸附和活化,从而使得催化剂表面氧物种的浓度增加,这与O_2-TPD结果一致.同时,制备方法对催化剂氧化还原性能也有显著的影响,由H_2-TPR所得催化剂的耗氢量顺序为:LaMnO_3-SGLaMnO_3-CPLaMnO_3-HTLaMnO_3-HM,这与它们催化活性的顺序一致.结合XPS和H_2-TPR结果可知,催化剂表面Mn~(4+)/Mn~(3+)比例高,则催化剂的氧化还原能力也越强.以上分析表明,LaMnO_3催化剂的催化活性与催化剂表面Mn~(4+)浓度和氧空穴数量相关.具有较高的Mn~(4+)浓度有利于氯乙烯在催化剂表面吸附;而氧空穴数量的增加有利于氧在催化剂表面的吸附和活化,从而提高氯乙烯催化燃烧的反应性能.     

臭氧催化氧化脱除低浓度甲醛的新方法（英文）

甲醛作为一种典型的室内挥发性有机污染物,对人体健康危害很大.目前,在可用于室内甲醛脱除的诸多方法之中,臭氧催化氧化法因可于室温下使用廉价的金属氧化物催化剂实现对甲醛的高效脱除,从而受到了科研工作者的广泛关注.然而,考虑到室内甲醛的浓度极低,且存在着长期缓慢释放的特点,传统的臭氧催化氧化法应用于实际的室内甲醛脱除不仅会造成能量的浪费,而且还易因未完全分解臭氧的连续释放带来二次污染问题.为了提高臭氧催化氧化脱除甲醛过程的臭氧利用率,降低能耗,并有效缓解未分解臭氧引起的二次污染,本文将一种循环的甲醛存储-臭氧催化氧化新方法应用于室内低浓度甲醛的脱除.该新方法包含甲醛存储与臭氧催化氧化两个过程,在存储阶段低浓度甲醛吸附存储于催化剂表面,而在臭氧催化氧化阶段臭氧将存储的甲醛氧化为CO_2与H_2O,并重新释放催化剂表面的吸附位.因负载型氧化锰具有优良的臭氧分解能力,本研究以Al_2O_3负载的MnO_x为催化剂,通过研究前驱体及担载量对甲醛脱除反应的影响,筛选出了最优的MnO_x/Al_2O_3催化剂,并对相对湿度的影响规律进行了考察,最后通过低浓度甲醛存储-臭氧催化氧化循环实验验证了该甲醛臭氧催化氧化新过程的可靠性.我们采用传统的等体积浸渍法,基于不同的前驱体制备MnO_x/Al_2O_3催化剂.XRD表征结果表明,乙酸锰为前驱体制得的MA/Al_2O_3催化剂中MnO_x相主要为Mn3O4(粒径约为6.0 nm);而硝酸锰前驱体所得MN/Al_2O_3催化剂中则含有MnO2与Mn_2O_3相,且其MnO_x颗粒粒径较大,约为9.5 nm.XPS测试结果表明,MA/Al_2O_3催化剂含有Mn~(2+),Mn~(3+)及Mn~(4+),其中Mn~(3+)与Mn~(4+)的含量分别为75%与12%;而MN/Al_2O_3催化剂则仅含有Mn~(3+)与Mn~(4+),含量分别为35%与65%.上述XRD与XPS结果相一致,说明以乙酸锰为前驱体所得催化剂的分散度较高且易形成低氧化态的Mn.甲醛存储-臭氧催化氧化实验结果表明,与Al_2O_3及MN/Al_2O_3相比,MA/Al_2O_3催化剂具有更高的甲醛存储与催化氧化脱除性能.基于MA/Al_2O_3催化剂,不同Mn负载量下的甲醛存储与臭氧催化氧化实验结果表明,Mn负载量为10 wt%时MA/Al_2O_3的性能最佳.因而,进一步的实验中我们均选用最优的10 wt%MA/Al_2O_3为催化剂,其在50%相对湿度下的甲醛存储量为26.9μmol/mL,臭氧催化氧化阶段碳平衡为92%,CO_2选择性为100%.相对湿度的影响结果(23°C)则表明,由于水分子与甲醛分子间存在着竞争吸附作用,甲醛存储容量随相对湿度的增加而降低;但因相对湿度增加可建立利于甲醛氧化的新途径,故臭氧催化氧化性能随相对湿度增加而增强.综合考虑,10 wt%MA/Al_2O_3上甲醛存储-臭氧催化氧化的最优相对湿度为50%.为验证所提出新方法的实用性,我们基于10 wt%MA/Al_2O_3开展了甲醛存储-臭氧催化氧化的4次循环实验.4次循环实验中的甲醛存储以及臭氧催化氧化处理的规律可基本保持一致.50%相对湿度下,低浓度甲醛(15×10-6)在空速为27000 h-1时的穿透时间为110 min,而在臭氧催化氧化阶段(150×10-6臭氧,空速15000 h-1)仅需约50 min即可实现对存储甲醛的氧化脱除(碳平衡大于92%,CO_2选择性100%),表明该新方法较传统的臭氧催化氧化方法臭氧用量可节省60%.     

MnOx／TiO2催化剂的表面状态与氧化活性

研究了不同负载量的MnO_2/TiO_2系列催化剂的表面状态及CO氧化活性。结果表明,当MnO_2负载量低于5.7wt％时,MnO_2呈Mn_2O_3相;高于5.7wt％时,MnO_2则为Mn_2O_3+MnO_2混合相。Mn_2O_3由分散态到聚集态的分散阀值为0.028g Mn_2O_3/100mm~2 TiO_2。催化剂氧化活性与其表面状态密切相关。当Mn~(3+)、Mn~(4+)共存时,有利于提高氧化活性。     

不同晶型MnO_2纳米线的催化荧光传感研究

采用水热合成法,制备了4种不同晶型(α、β、γ、δ)的MnO_2纳米线.以邻苯二胺(OPD)为底物分子,系统地研究了不同晶型MnO_2纳米线的催化生荧反应.采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)、核磁共振、质谱和电化学方法等实验手段进行表征研究.实验结果表明,β-MnO_2纳米线对OPD的催化生荧反应为最佳.在此研究的基础上,借助甲醛的.CHO基团和OPD的.NH_2基团可发生缩合反应形成Schiff碱的性质,进一步构建了一种新型、高选择性、灵敏的催化荧光传感体系,并用于食品中甲醛的检测研究.     

低温等离子体场内复合不同晶型氧化锰催化降解甲苯性能和机理（英文）

作为典型的挥发性有机化合物,甲苯通常来源于建筑涂料、交通运输和各种工业生产过程,是PM2.5、臭氧和光化学烟雾的重要前驱体,对环境和人类健康造成巨大影响.近年来,低温等离子体技术因具有在常温常压下就能通过高能电子、活性氧物种和羟基等活性粒子有效降解挥发性有机物的优点而受到广泛关注.然而,高能耗和大量副产物的产生是等离子体技术工业化应用的巨大障碍.当前最有效的策略之一是将等离体技术与催化技术结合,从而加快反应速率,提高产品的选择性和能源利用率.在所应用的催化剂中,MnO_2因具有较好的O3分解效率而成为最有潜力的催化剂之一.但是MnO_2具有不同的晶型结构、隧道结构和形貌,这些均会显著影响MnO_2的催化活性.本文通过一步水热法制备了α-,β-,γ-和δ-MnO_2四种MnO_2催化剂,并将其用于等离子体催化降解甲苯研究,在此基础上系统考察了等离子体催化降解性能和MnO_2不同晶型之间的关系.结果表明,当能量密度为160 J/L时,等离子体单独降解甲苯去除效率为32.5%.引入催化剂能够显著提高甲苯的降解效率,其中α-MnO_2效果最显著,甲苯降解效率能够提升至78.1%,β-,γ-和δ-MnO_2能够相应提升至47.4%,66.1%和50.0%.采用X射线衍射、拉曼光谱、扫面电子显微镜、透射电子显微镜、比表面积-孔结构分析、氢气程序升温还原和X射线光电子能谱等手段研究了催化剂的理化特性.结果表明,隧道结构、催化剂在等离子体中的稳定性、Mn–O键能和催化剂表面吸附氧均在等离子体催化降解甲苯中发挥了重要作用.在此基础上,通过GC-MS分析降解产生的气相副产物推断甲苯在等离子体和等离子体催化体系中的降解机理.在等离子体催化体系中,通过Mn4+,Mn3+和Mn2+价态的变化,等离子体产生的O3,O2*和其他活性自由基会被吸附到催化剂表面,随后与催化剂吸附的甲苯或中间副产物发生氧化还原反应,将甲苯氧化为CO2等小分子物质.此外,MnO_2作为分解O3最有效的催化剂,可以吸附O3并将其分解为O?或者与H2O生成?OH参与到反应中,从而提高甲苯的降解效率.     

含铜有序介孔Cu-KIT-6的合成及其苯乙烯环氧化催化性能:pH值的影响（英文）

苯乙烯侧链C=C的选择性氧化一直是烯烃环氧化研究领域关注的热点之一.近几十年来,苯乙烯环氧化研究主要集中于多相过渡金属催化剂的开发与应用;以铜为主要活性物种的催化剂因具有较高的环氧苯乙烷选择性而备受瞩目.然而,采用pH调节法将铜离子引入三维六方介孔材料KIT-6阵列尚未见报道,尤其是pH值对合成材料的形貌、结构以及催化活性的影响尚未可知.基于此,本文采用pH调节法合成了铜嵌入KIT-6介孔材料Cu-KIT-6x(x代表初始溶胶的pH值,x=1.43,2.27,3.78,3.97,4.24,6.62),并将其应用于苯乙烯环氧化反应.采用X射线粉末衍射、氮气吸附脱附、透射电子显微镜以及X射线光电子能谱等手段对Cu-KIT-6x的表面结构及形貌进行了细致表征.结果表明,随着pH的变化,Cu-KIT-6x催化剂的物理特性、表面结构尤其是铜物种种类和含量均变化较大.较低的pH导致铜物种主要以Cu~(2+)形式存在,难以引入到KIT-6骨架中,且不利于介孔材料的合成,最终导致产生无序介孔结构.当pH增大到3.78时,约有4.6 wt%的Cu(Ⅱ)以–Cu–O–Si–形式成功引入KIT-6骨架中,获得了具有较高比表面积且有序的孔结构.此外,由于Cu~(2+)的引入,骨架内部分Si~(4+)被取代,促使Cu-KIT-6_(3.78)拥有可与载体KIT-6相媲美的大孔径.然而,当pH继续增大时,过量的Cu~(2+)从KIT-6骨架中析出,以CuO形式存在于载体表面,从而导致Cu-KIT-6的孔径逐渐增大;同时NaOH对三维立方介孔结构的破坏,使得介孔结构坍塌及比表面积显著降低.以苯乙烯环氧化反应评价了Cu-KIT-6x系列催化剂的催化活性.当以叔丁基过氧化氢为氧化剂,乙腈为溶剂,在70 ℃反应6 h后,Cu-KIT-6_(3.78)表现出最优的苯乙烯转化率(43.5%)及环氧苯乙烷选择性(86.6%).使用4次后,Cu-KIT-6_(3.78)展示了稳定的苯乙烯转化率、环氧苯乙烷选择性及有序的孔结构,充分表明其具有出色的稳定性.各表征结果揭示了在适宜pH下合成的Cu-KIT-6_(3.78)催化剂具有较高的铜含量、有序的立方Ia3d介孔结构及合适的结构参数,因而在苯乙烯环氧化反应中表现优异活性和良好稳定性.     

甲醛催化氧化催化剂的研究进展

甲醛是致癌致畸物并具有较强的光化学活性.它既来源于纺织、农药、板材或其他精细化学品的生产过程,又来源于机动车尾气和室内各种装潢材料.为了人体健康和大气环境去除甲醛非常必要.用催化氧化法去除甲醛是一种很有前景的技术,但是该技术的关键是研究和发展催化剂.近年来,用于甲醛氧化的催化剂主要分为贵金属催化剂和过渡金属氧化物催化剂.贵金属催化剂是将Pt,Pd,Au,Ag等贵金属负载在不同类型的载体上而制得.载体可分为常见载体、传统金属氧化物载体和特殊形貌金属氧化物载体.常见载体是具有较大比表面积的SiO2,Al2O3,TiO2和分子筛等.这类载体有利于活性位的暴露以及反应物和产物的吸附和扩散,而且还能增强载体和活性组分的协同作用.负载在常见载体上的不同贵金属催化剂,其甲醛氧化活性从强到弱排列是:Pt＞ Pd＞ Rh ＞Au＞ Ag.用这种载体制备的催化剂具有很出色的应用前景.比如Na-Pt/TiO2是甲醛氧化活性最好的催化剂,目前己被应用在空气净化器中,其次是Pt/TiO2和Pd/TiO2.传统金属氧化物载体主要是采用沉淀法、共沉淀法制备的CeO2,Fe2O3,Co3O4,MnO2及其复合氧化物,这类载体负载Pt的催化剂仍然具有出色的室温催化性能,如Pt/MnOx-CeO2和Pt/Fe2O3等.虽然Pt负载型催化剂应用前景很好,但是其成本较高,工业生产和普及受到限制.用传统金属氧化物载体制备的催化剂如Au/CeO2,Ag/MnOx-CeO2和Ag/CeO2等同样具有良好的发展前景.对于提高甲醛氧化活性来说,载体的选择至关重要.未来研究趋势可能是甲醛氧化负载型催化剂更多的会选择Ag或Au作为活性组分,而一些有潜力的传统金属氧化物载体将被使用不同的制备方法进一步改良.目前,拥有棒状、球状、孔状等特殊形貌的金属氧化物载体因为它们本身的催化活性要优于用沉淀法制备的传统金属氧化物催化剂,因此,将Ag或Au负载在这类载体上制备的催化剂具有更好的应用前景,如三维(3D)有序大孔Au/CeO2-Co3O4,二维有序介孔Au/Co3O4-CeO2和Au/Co3O4以及三维有序介孔K-Ag/Co3O4等.过渡金属氧化物催化剂,因成本低,资源丰富而受到关注.单一过渡金属氧化物催化剂如锰钾矿型的MnO2纳米棒或纳米球,介孔MnO2,Co3O4和Cr2O3等,具有较好的甲醛氧化催化活性(T50和T100分别小于等于1 10和140℃).另外,Ce,Sn,Cu和Zr等元素常常被掺杂到MnOx和Co3O4中,制备成复合金属氧化物催化剂,MnOx-CeO2具有较好的甲醛催化活性(T50＜100℃),因为MnOx和CeO2较强的相互作用改变了表面活性氧和活性相的数量.目前,复合金属氧化物催化剂氧化甲醛的报道很少.随着制备方法的改变,单一过渡金属氧化物或他们的复合氧化物催化剂可能会成为贵金属催化剂的替代品.目前,如何获得高效、低成本、低温甚至常温去除甲醛的催化剂仍然是一项重要的挑战.特殊形貌的金属氧化物催化剂如3D-Cr2O3,3D-Co3O4,MnO2纳米球和纳米棒,在常温下完全转化甲醛仍然是个难以越过的鸿沟.将来,多种形貌的新型纳米金属氧化物及其Au或Ag负载型催化剂的制备和发展会成为一个研究趋势.这种催化剂既能被用于甲醛的催化氧化,也能被用于苯系物或其他VOCs的催化氧化.它能为机动车尾气和工业生产中VOCs产生量的削减提供技术支撑,而VOCs的去除有益于PM2.5浓度的降低和空气质量的恢复.     

三维有序大孔SnO_2基固溶体用于有效燃烧碳烟颗粒（英文）

柴油车尾气排放的碳烟颗粒对人类的生存环境和身体健康带来了严重危害.催化燃烧是消除碳烟颗粒污染的有效途径.碳烟颗粒催化燃烧是固-固-气相反应,因此催化剂本身具有活泼的氧中心且其能与碳烟颗粒有效接触是提高反应效率的关键因素.为改善碳烟颗粒与催化剂的接触,设计制备三维有序大孔(3DOM)催化剂,使碳烟颗粒可以进入催化剂孔道内部,增加其与催化剂的有效接触,是提高反应活性的有效途径.此外,在催化剂晶格中掺杂其它金属离子形成固溶体结构,可提高其氧化还原性能,也可有效提高其碳烟燃烧活性.SnO_2富含活泼的表面缺位氧和可还原的晶格氧,且其熔点高达1630℃,具有良好的热稳定性,被广泛用于制备气体传感、电化学和催化等材料.在过去的6年中,本课题组在SnO_2催化化学领域做了大量系统的工作,将SnO_2基催化材料用于多种环保和能源反应.发现通过其它阳离子Fe~(3+),Cr~(3+),Ta~(5+),Ce~(4+)和Nb~(5+)等的掺杂,替换晶格中部分Sn~(4+)形成金红石型SnO_2固溶体结构,可显著提高催化剂氧物种的流动性、活性和本身的热稳定性.本文采用胶体晶体模板法制备出了Ce~(4+),Mn~(3+)和Cu~(2+)离子掺杂的SnO_2三维有序大孔固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟催化燃烧.采用SEM,TEM,XRD,STEM-mapping,O_2-TPD和XPS等手段对催化剂进行表征,研究其碳烟催化燃烧性能.SEM和TEM结果表明已成功合成三维有序大孔结构样品.XRD,Raman和STEM-mapping结果表明,Ce~(4+),Mn~(3+)和Cu~(2+)离子均进入四方金红石型SnO_2晶格形成固溶体结构.另外,Raman,H_2-TPR,XPS和O_2-TPD等结果发现上述离子掺杂三维大孔SnO_2后,催化剂表面形成了更活泼、丰富的氧物种,有利于碳烟颗粒燃烧.其中3DOM-Cu_1Sn_9催化剂具有最丰富的活泼氧中心,因此表现出最高的活性.     

介孔Ag_2S固载锰卟啉催化氧化环己烷性能研究

为了充分发挥5,10,15,20-四(4-吡啶基)锰卟啉(Mn TPyP)的催化活性和效率,用介孔硫化银对Mn TPyP进行轴向配位,形成了介孔硫化银固载5,10,15,20-四(4-吡啶基)锰卟啉(Mn TPyP/mp-Ag_2S)纳米孔仿生催化材料,用多种光谱技术对其进行表征.催化材料中S~(2-)与阳离子Mn~(3+)之间有很强的轴向配位作用,这使得催化材料催化氧化环己烷的活性大幅提高,环己烷转化率和醇酮产率分别提高了46.9%和29.6%.催化材料使用了5次后,其催化性能几乎没有下降,这归因于催化材料中强的轴向配位作用和纳米空腔结构功能作用的结果.     

有序多孔过渡金属氧化物及其负载贵金属催化剂对挥发性有机物氧化的催化性能（英文）

大部分的挥发性有机物(VOCs)污染环境,危害人身健康.目前,我国虽然已开展了治理VOCs污染的工作,但还缺乏有效的、拥有自主知识产权的VOCs治理技术,因此研发新型高效VOCs处理技术迫在眉睫.催化氧化法是公认的最有效消除VOCs的途径之一,而高性能催化剂的研发是实现该过程的关键.近年来,人们围绕消除VOCs的高效且价廉的催化剂的研发开展了卓有成效的工作,许多过渡金属氧化物、混合或复合金属氧化物及其负载贵金属催化剂均被认为是有效的催化氧化材料.与体相材料相比,多孔材料具有发达的孔道结构和高的比表面积,一方面有利于反应物的扩散、吸附和脱附,因而具有更高的催化活性和选择性;另一方面有利于活性组分(如贵金属等)在多孔材料表面的高分散,抑制活性组分的烧结,因而具有更好的催化稳定性.本文简述了近年来多孔金属氧化物在环境污染物消除领域的研究进展,阐述了以有序介孔或大孔过渡金属氧化物、钙钛矿型氧化物和负载贵金属催化剂的制备及其对典型VOCs(如苯系物、醇类、醛类及酮类等)氧化的催化性能,重点介绍了四类催化材料,包括有序介孔过渡金属氧化物或复合氧化物(Co_3O_4,MnO_2,Fe_2O_3,Cr_2O_3和LaFeO_3等)催化剂,有序介孔金属氧化物负载贵金属(Au/Co_3O_4,Au/MnO_2和Pd/Co_3O_4等)催化剂,三维有序大孔过渡金属氧化物或复合氧化物(Fe_2O_3,LaMnO_3,La_(0.6)Sr_(0.4)MnO_3和La_2CuO_4等)催化剂,以及三维有序大孔金属氧化物负载贵金属(Au/Co_3O_4,Au/LaCoO_3,Au/La_(0.6)Sr_(0.4)MnO_3和AuPd/Co_3O_4等)催化剂的制备及其物化性质与对苯、甲苯、二甲苯、乙醇、丙酮、甲醛、甲烷或氯甲烷等VOCs氧化的催化性能之间的相关性.借助二氧化硅或聚甲基丙烯酸甲酯微球等硬模板,采用纳米浇铸法可制备出二维或三维的有序单一或多级孔道结构的金属氧化物.研究表明,多孔金属氧化物的催化性能远优于其体相甚至纳米催化剂的.有序多孔材料的优异催化性能与其拥有大的比表面积、高的吸附氧物种浓度、优良的低温还原性、独特的孔道结构、活性组分的高分散以及贵金属与氧化物载体之间的强相互作用等有关.探明影响催化剂活性的因素有利于从原子水平上认识催化过程,为新型高效催化剂的设计与制备奠定基础.本文还指出了此类研究中存在的一些问题,例如利用硬模板法制备多孔材料的缺点是目标催化剂的收率低,硬模板浪费严重,大规模制备多孔催化剂势必增加制备成本,这些问题有待于妥善解决.与此同时,还展望了VOCs消除技术的未来发展趋势,采用多种技术联用的方法有望最大程度地提高VOCs的消除效率.     

MnOx/CeO2纳米棒催化剂在低温NH3-SCR反应中的阳离子(Zr4+,Al3+,Si4+)掺杂效应

低温脱硝技术由于具有无需再加热烟气、方便燃煤电厂脱硝改造以及适用于一些烟气温度较低的非电力行业脱硝场合等优点,吸引了越来越多研究者的关注.低温脱硝催化剂是该技术中最关键的单元,因此其配方开发及相关工作已成为近年来的研究热点之一.商业化V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂在300–400°C的固定源烟气脱硝中表现出优异的性能,然而其低温脱硝性能却差强人意.并且,V_2O_5具有生物毒性,会造成二次污染.因此,低温脱硝催化剂的开发主要集中在环境友好的非钒基催化剂上.其中,MnO_x基催化剂由于具有优异的低温脱硝性能而成为重点研究对象.特别是MnO_x/CeO_2催化剂由于Ce O_2良好的氧化还原性能和较高的储释氧容量,引起了低温脱硝领域越来越多研究者的兴趣.然而,众所周知,CeO_2的比表面积和热稳定性并不令人满意.幸运的是,研究表明,阳离子掺杂可有效地克服CeO_2的上述缺点.此外,随着纳米材料制备科学与技术的发展,不同形貌的CeO_2已经能可控合成.研究表明,CeO_2纳米棒比其它形貌的CeO_2更适合用作载体,因为Ce O_2纳米棒主要暴露的{110}晶面易于形成氧空位以及与表面分散组分产生强相互作用.因此,在本工作中,我们在CeO_2纳米棒的晶格中掺入热稳定的Zr~(4+),Al~(3+),Si~(4+)等阳离子以提高其比表面积和热稳定性,并以该CeO_2纳米棒为载体负载MnO_x,考察了Zr~(4+),Al~(3+),Si~(4+)等阳离子掺杂对MnO_x/Ce O_2纳米棒催化剂低温脱硝性能的影响,筛选出最佳的掺杂离子.对制备的样品进行了透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、氮气物理吸附、氢气程序升温还原、氨气程序升温脱附、氨气吸附原位漫反射红外光谱和X射线光电子能谱等一系列表征分析,并利用氨气-选择性催化还原(NH_3-SCR)反应评价了其脱硝性能和抗水抗硫性能.结果表明,Si~(4+)掺杂的MnO_x/CeO_2纳米棒(MnO_x/CS-NR)催化剂具有最多的氧空位、表面酸性位和Mn~(4+)因而表现出最佳的脱硝活性.由于其氧化还原性能适当减弱,有效地抑制了氨气的非选择性催化氧化,从而表现出最低的N_2O生成量.此外,MnO_x/CS-NR催化剂还显示出最佳的抗水抗硫性能.综上所述,Si~(4+)是MnO_x/CeO_2纳米棒催化剂的最佳掺杂离子.     

MnO_x/g-C_3N_4光热协同催化净化NO的性能增强和反应机理（英文）

许多研究表明,MnO_x和g-C_3N_4均有催化氧化NO的活性,并且探索了它们各自的转化机理.然而,MnO_x/g-C_3N_4复合材料的光热催化机理仍然是一个未解决的问题.我们通过室温沉淀法直接合成不同摩尔比的MnO_x/g-C_3N_4,并发现其表现出良好的光热协同催化氧化NO的性能.MnO_x/g-C_3N_4催化剂在g-C_3N_4表面含有不同价态的MnOx.通过原位红外光谱在60°C下研究了紫外-可见光诱导的MnOx热催化NO的机理以及MnO_x/g-C_3N_4光热协同催化NO的机理.结果表明,光照对MnOx热催化NO的过程几乎没有影响,但对MnO_x/g-C_3N_4光热协同催化NO产生积极作用并且形成重要的催化循环机制.具体过程是光生电子(e~–)转移到MnO_x上参与光热协同的还原循环(Mn~(4+)→Mn~(3+)→Mn~(2+)),且低价Mn离子易给出电子(e~–)与光生空穴(h~+)相结合而诱导逆向的循环(Mn~(2+)→Mn~(3+)→Mn~(4+)),使活性氧空位再生.通过MnO_x(Mn~(4+)/Mn~(3+)/Mn~(2+))变价而产生的活性氧(O~–)可将中间产物(NOH和N_2O_2~–)氧化为终产物(NO_2~–和NO_3~–).这将为开发更好的净化NO_x的催化剂提供重要的指导意义.XRD表征结果表明,MnO_x/g-C_3N_4复合催化剂的结晶度较低.TEM和XPS表征结果表明,g-C_3N_4表面含有多种低结晶度的MnO_x,主要含有MnO,MnO_2和Mn_2O_3.此外,通过对比MnO_x和1:5 MnO_x/g-C_3N_4催化净化NO的XPS结果,发现反应后的MnO_x含有大量Mn-Nitrate且Mn~(3+)和Mn~(4+)大幅度减少;同时,反应前后1:5 MnO_x/g-C_3N_4的Mn~(2+),Mn~(3+)和Mn~(4+)的含量变化微弱.BET-BJH测试结果显示,MnO_x/g-C_3N_4复合催化剂的比表面积和孔容均高于纯g-C3N4.UV-Vis DRS测试结果显示,MnO_x/g-C_3N_4复合催化剂显示了良好的可见光吸收能力.紫外-可见光催化去除NO的测试结果表明,1:5 MnO_x/g-C_3N_4(44%)的光催化活性明显高于MnO_x(28%)和g-C_3N_4(36%).ESR测试结果表明,参与反应的主要活性物种为?O_2~–自由基.EPR测试结果表明,1:5 MnO_x/g-C_3N_4的氧空位明显多于MnO_x,丰富的活性氧空位更有利于电子的迁移且促进Mnn+(n=2,3和4)的变价而诱导O2分子形成活性氧(O–).以上结果清晰地表明1:5 MnO_x/g-C_3N_4表现出不同的理化特性.可见光催化氧化NO的原位红外光谱表明,光照前后MnOx催化氧化NO的过程没有明显的变化,表明其属于典型的热催化过程,综合上述表征结果发现MnOx的氧缺陷是Mnn+(n=3和4)变价的活性位点,可诱导O_2产生活性氧催化氧化NO为硝酸盐吸附在MnO_x上;光照前后1:5 MnO_x/g-C_3N_4催化氧化NO的过程有明显不同,光照前主要表现为g-C_3N_4表面MnO_x的热催化过程,而光照后1:5 MnO_x/g-C_3N_4为光热协同催化NO的过程.具体过程是g-C_3N_4的光生电子(e~–)转移到MnO_x上参与光热协同的还原循环(Mn~(4+)→Mn~(3+)→Mn~(2+)),且低价Mn离子易给出电子(e~–)与光生空穴(h~+)相结合而诱导逆向的循环(Mn~(2+)→Mn~(3+)→Mn~(4+))使活性氧空位再生.通过MnOx(Mn~(4+)/Mn~(3+)/Mn~(2+))变价而产生的活性氧(O~–)可将中间产物(NOH和N_2O_2~–)氧化为终产物(NO_2~–和NO_3~–).