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.