二氧化钛及铂二氧化钛催化剂的H2-TPR谱图
挥发性有机化合物(VOCs)是大气污染物的主要组分, 主要来源于造纸、制药、煤气、合成材料和石油化工等行业, 可以形成光化学烟雾, 而且是雾霾及PM 2.5的主要来源之一, 对人体健康和生态环境均有较严重的危害. 目前世界各个国家都规定了严格的法规限制这些污染物的排放. 因此, 研究VOCs的去除已成为近几年来的研究热点, 而且治理VOCs污染已经迫在眉睫.
目前关于污染的治理技术主要有吸附法、吸收法、冷凝法、催化燃烧等方法, 催化燃烧技术是消除VOCs最有效和最常用的方法之一, 这种方法具有起燃温度低、无二次污染、适用范围广和节约能源等优点.目前, 贵金属负载型催化剂和金属氧化物催化剂普遍应用于VOCs的完全氧化. 贵金属催化剂因其具备优越的催化活性而被广泛应用于VOCs的氧化净化, 尤其是铂系金属催化剂, 此类催化剂在VOCs完全氧化领域通常具有较高的催化性能.
吴小琴等报道了Pt/MnO2催化甲苯的完全反应温度为280°C, Kim等报道了Pt/Al2O3能在245°C时实现甲苯的完全氧化, Chen等报道了Pt/β-沸石能在190°C 将低浓度甲苯催化燃烧成CO2和H2O.
尽可能降低完全氧化所需温度是VOCs催化燃烧研究的主要目标, 因此研制和开发一些能在更低温度催化VOCs完全燃烧的高活性催化剂是近年来的一个重要趋势, 也是目前研究的热点和难点, 更是实现节能环保与走可持续发展之路的必然要求.往往传统方法如浸渍法和沉淀法制备得到的Pt催化剂的颗粒大小、形状与分布难以控制, 这使得制备出来的催化剂活性较低且重复性较差.为此, 人们采用先制备出金属纳米颗粒, 然后将其吸附于载体上的方法制备了新型的负载型纳米Pt催化剂(组合型催化剂).利用此方法不仅可以有效控制金属颗粒的粒径和晶体结构, 而且还可以减弱载体对催化性能的影响, 调控活性组分在载体上的分散度.
浙江工业大学严新焕等人将均匀分布的纳米Pt粒子直接吸附到TiO2载体上, 即制得了组合型Pt/TiO2催化剂(Pt/TiO2-AS).与浸渍法制备的Pt/TiO2催化剂(Pt/TiO2-WI)比较, Pt/TiO2-AS催化剂在催化甲苯完全氧化反应中表现出了很好的催化性能, 甲苯转化率为100%时的反应温度低至150°C, 而且即使在较高甲苯浓度和较高气体空速下, 该催化剂也能保持较好的催化性能. 通过X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附(BET)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H2-TPR)及傅里叶变换红外(FTIR)光谱等对两种Pt/TiO2催化剂的结构和表面性能进行了表征. 结果表明组合型Pt/TiO2-AS催化剂粒径小(2.5 nm), 活性组分主要以Pt0形式存在且分布在载体表面, 而且载体表面Ti―O键活化使催化剂具有较强的催化氧化能力. 另外, 活性中心的价态变化(Pt0→Ptδ+)是导致Pt/TiO2-AS催化剂失活的主要原因.