二氧化锰载体晶型对铂催化降解挥发性有机物性能的影响

                                                α-, δ-MnO₂纳米棒及其负载0.8%(w) Pt的TEM图谱                

　　挥发性有机物(VOCs)不仅是有毒的空气污染物(因其毒性, 恶臭, 致突变和致癌性), 还是臭氧和光化学烟雾的前驱体.已经有多种技术应用于VOCs的减排和降解净化, 其中催化氧化被公认是控制VOCs排放的有效方法之一. 催化氧化可以在较低温度下对VOCs实现净化, 具有能量效率高, 无NO_x排放, 以及适用于非常稀(<5000×10^-6 (体积分数))污染物的直接氧化净化的特点, 而这种浓度的污染物一般在热燃烧中无额外的燃料是没法处理的.

        目前, 贵金属(Pt, Pd和Au)负载催化剂和金属氧化物催化剂普遍被用于减少VOCs的排放.一般而言, 对于VOCs的氧化净化, 铂系金属是高活性的催化剂. 金属氧化物负载铂复合催化剂的研究,一直是人们的兴趣. 在VOCs和CO的催化燃烧中所用的载体有: Al₂O₃,SiO₂, MgO, TiO₂, SnO₂, ZrO₂,ZnO,CeO₂, WO₃-ZrO₂和La_0.9Cu_0.1MnO₃,LaCoO₃, 石墨烯等.

        MnO₂是一种VOCs氧化的优良催化剂, 对于CO的催化氧化, 其活性与MnO₂纳米棒的相结构有明显关系, 催化活性顺序如下: α-MnO₂≈δ-MnO₂>γ-MnO₂>β-MnO₂。

清华大学化学系, 吴小琴等人通过水热法合成了纯相的α-MnO₂和δ-MnO₂纳米棒, 并利用溶胶固定化工艺制备了负载铂纳米颗粒的Pt/MnO₂材料. 通过透射电镜(TEM), X射线粉末衍射(XRD), 扫描电镜(SEM), X射线光电子能谱(XPS), N₂吸附-脱附和H₂程序升温还原(H₂-TPR)技术研究了样品的微观结构和吸附活性位, 探查了CO和挥发性有机化合物(VOCs)(苯和甲苯)在催化剂上的催化发光(CTL)性质. 结果表明: 铂颗粒在α-MnO₂和δ-MnO₂载体上以高分散状态存在, 负载过程不会影响α-MnO₂纳米棒的晶相结构, 但会导致δ-MnO₂纳米棒产生结构变化. 经XPS证实不是Pt与其发生了反应. α-和δ-MnO₂纳米棒对CO、苯和甲苯的催化氧化都具有很高的活性, δ-MnO₂的活性略高于α-MnO₂相. 虽然N₂吸附-脱附实验结果证实Pt负载会导致MnO₂纳米棒比表面积的下降, 但H₂-TPR 结果显示Pt和MnO₂之间会产生强烈的相互作用, 显著增强其催化活性, 且Pt/δ-MnO₂活性高于Pt/α-MnO₂.催化氧化发光研究表明, 这四种催化剂活性顺序是α-MnO₂≤δ-MnO₂<Pt/α-MnO₂<Pt/δ-MnO₂,与H₂-TPR 结果一致.铂的负载可以显著增强α-MnO₂和δ-MnO₂纳米棒对CO、苯和甲苯催化氧化的活性.