低溫高活性α-MnO2的制備及催化燃燒性能的研究.pdf

1、城市空氣污染作為一個(gè)新興的環(huán)境衛(wèi)生問(wèn)題，遍布于全世界的很多城市。城市空氣污染物的主要來(lái)源為工業(yè)廢氣、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣和汽油在搬運(yùn)、儲(chǔ)存的蒸發(fā)損失等。因此，苯(Benzene)、甲苯(Toluene)和二甲苯(Xylene)等（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為BTXs）這類(lèi)城市空氣污染物隨處可見(jiàn)，存在于大氣中，也存在于室內(nèi)環(huán)境。據(jù)報(bào)道，長(zhǎng)期在BTXs環(huán)境中生活會(huì)導(dǎo)致急性和慢性中樞神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、心血管和腎臟疾病。BTXs正不斷地吞噬著人們的生命。
　　

2、眾多治理BTXs技術(shù)中，催化燃燒法因其高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而廣泛采用。催化燃燒技術(shù)最關(guān)鍵之處是催化劑的制備。本文實(shí)驗(yàn)以鄰二甲苯(o-xylene)為目標(biāo)處理物，研制出一系列低溫高活性催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:
　　 (1)采用氧化還原共沉淀法，以高錳酸鉀(KMnO4)為氧化劑，乙酸錳(Mn(Ac)2)、丙酸錳(Mn(CH3CH2COO)2)、硝酸錳(Mn(NO3)2)、硫酸錳(Mn(SO4)2)為還原劑，制備出一系列α-MnO2(分別標(biāo)

3、示為Mn-A、Mn-B、Mn-C和Mn-D)。探究了二價(jià)錳鹽種類(lèi)、體系pH值和反應(yīng)物的滴加順序?qū)Υ呋瘎┙Y(jié)構(gòu)和性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)Mn-A、Mn-B和Mn-C可在210℃使鄰二甲苯完全轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，較Mn-D的完全氧化溫度降低了30℃。X射線衍射(XRD)、傅里葉紅外光譜（IR）、比表面積測(cè)試(BET)、熱分析(TG)、掃描電鏡(SEM)、能譜(EDX)、X射線光電子能譜(XPS)以及化學(xué)分析法測(cè)定結(jié)果顯示，Mn-A、Mn-B、M

4、n-C和Mn-D均為介孔的α-MnO2，同時(shí)形貌為不同尺寸的納（或微米）顆粒。由于四種催化劑具有不同的表面結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生了這樣的催化結(jié)果。Mn-A和Mn-B表面羥基或水的含量少，高鉀的含量使其Mn-O-Mn鍵間的氧容易釋放出來(lái)，同時(shí)熱重結(jié)果顯示，其晶格氧的流動(dòng)性很強(qiáng);這些特點(diǎn)可能是其活性較高的主要原因。相對(duì)于Mn-A和Mn-B，Mn-C含有豐富的表面羥基或表面氧，Mn3+和Mn4+比例適中，使其Mn-O-Mn鍵間的氧容易釋放出來(lái)，同時(shí)其

5、層級(jí)結(jié)構(gòu)使其比表面積較大，因而具有好的催化活性;盡管Mn-D與Mn-C具有相似性質(zhì)，但晶格氧流動(dòng)性較差而且表面氧的含量相對(duì)較少，這可能導(dǎo)致了其活性較差。
　　 (2)采用水熱非均相反應(yīng)合成法，以高錳酸鉀(KMnO4)和自制的磷酸錳(MnPO4)為原料，制備出三維層網(wǎng)狀介孔α-MnO2。探究了反應(yīng)物摩爾比、反應(yīng)溫度、焙燒溫度及反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化劑的影響;發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)物摩爾比1∶1、反應(yīng)溫度為180℃、反應(yīng)時(shí)間為48h的條件下，制備出三維

6、層網(wǎng)狀系列介孔α-MnO2。通過(guò)XRD、IR、BET、SEM、EDX以及化學(xué)分析法測(cè)定，結(jié)果顯示所制備的材料為隱鉀錳礦型八面體分子篩的α-MnO2，且比表面積和孔徑分別為153.12m2/g和18nm，同時(shí)錳的平均價(jià)態(tài)為+4。深入探究了形貌形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中存在的PO43-對(duì)其三維層網(wǎng)狀的形成起了至關(guān)重要的作用。
　　 (3)采用回流KOH法和水熱法對(duì)介孔三維層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的隱鉀錳礦型八面體分子篩的α-MnO2進(jìn)行改性，分別制備了

7、顆粒和片附著到三維層網(wǎng)結(jié)構(gòu)的α-MnO2和Ce-Mn-O復(fù)合材料。在回流KOH法中，探究了不同K/Mn原子比對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)和性能的影響，活性測(cè)試發(fā)現(xiàn)K/Mn原子比為0.5/1時(shí)，可在240℃使鄰二甲苯完全轉(zhuǎn)化為CO2和H2O;在水熱法制備Ce-Mn-O復(fù)合物中，探究了不同Ce/Mn原子比制備的Ce-Mn-O復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和催化性能，活性測(cè)試發(fā)現(xiàn)在Ce/Mn原子比為0.1/1時(shí)，可在270℃使鄰二甲苯完全轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。