构筑耦合界面提高MnO2@Co3O4催化氧化甲苯性能

作     者：任泉明 莫胜鹏 樊洁 冯振涛 张明远 陈培榕 高加俭 付名利 陈礼敏 吴军良 叶代启 Quanming Ren;Shengpeng Mo;Jie Fan;Zhentao Feng;Mingyuan Zhang;Peirong Chen;Jiajian Gao;Mingli Fu;Limin Chen;Junliang Wu;Daiqi Ye

作者机构：华南理工大学环境与能源学院中国广东广州510006 华南理工大学挥发性有机物污染治理技术与装备国家工程实验室中国广东广州510006 华南理工大学广东省大气环境与污染控制重点实验室广东省环境风险防控与应急处置工程技术研究中心中国广东广州510006 南洋理工大学化学与生物医药工程学院新加坡637459新加坡 

出 版 物：《Chinese Journal of Catalysis》 (催化学报（英文）)

年 卷 期：2020年第41卷第12期

页      面：1873-1883页

核心收录：

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 0817[工学-化学工程与技术] 08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家重点研发计划(2017YFC0212805,2016YFC0204200) 国家自然科学基金(51878292,51878293,51678245) 广东省自然科学基金(2020A1515010929,2015B020236002,2014A030310431,2016A030311003) 广州市科技计划(201804020026) 广东省科技计划(2017B090901049) 

主　　题：MnO2@Co3O4 甲苯氧化 协同作用 耦合界面 原位漫反射红外光谱 

摘      要：挥发性有机化合物(VOCs)是大气主要污染物之一,它不仅危害人类健康,而且也危害环境.催化氧化是消除VOCs最有前景的方法之一.过渡金属氧化物由于其低成本、环境友好、高催化活性等优点,而越来越受到VOCs氧化领域的重视.一般认为,具有耦合界面的多组分金属氧化物比单组分金属氧化物表现出更好的催化性能.因此,本文在一维(1D)α-MnO2纳米线上原位生长ZIF衍生的Co3O4(α-MnO2@Co3O4).由于α-MnO2和Co3O4之间耦合界面的协同效应,使得α-MnO2@Co3O4表现出优异的催化活性,甲苯转化率达到90%的反应温度(T90%)约为229℃,分别低于α-MnO2纳米线的(47℃)和热解ZIF-67产生的Co3O4-b的(28℃).本文采用氢气程序升温还原(H2-TPR),氧气程序升温脱附(O2-TPD),X射线光电子能谱(XPS),原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)等手段研究了具有α-MnO2和Co3O4耦合界面的α-MnO2@Co3O4催化剂表现更优异甲苯氧化性能的原因.H2-TPR结果表明,相比于α-MnO2纳米线和热解ZIF-67产生的Co3O4-b,α-MnO2@Co3O4催化剂因具有耦合界面而表现出更好的氧流动性.O2-TPD结果表明,具有耦合界面的α-MnO2@Co3O4催化剂表面有更多的表面氧空位,从而使气相氧更容易活化为表面活性氧物种.XPS结果表明,具有耦合界面的α-MnO2@Co3O4催化剂表面有更多的活性氧物种,并且增强了Mn^4+/Mn^3+和Co^2+/Co^3+氧化还原对.原位漫反射红外结果表明,催化剂在180℃下吸附甲苯/N2250 min后,通入N2吹扫30 min,然后将气氛切换为20%O2/N2,温度保持在180℃,反应进行250 min时,α-MnO2表面吸附甲苯和苯甲醛的特征峰强度没有明显降低的趋势.相反,在反应进行50 min时,α-MnO2@Co3O4表面吸附甲苯和苯甲醛的特征峰强度明显减弱,至250 min时,这些特征峰几乎完全消失.这进一步表明,在α-MnO2@Co3O4表面,气相氧可能更容易活化为吸附氧物种,且甲苯在α-MnO2@Co3O4催化剂的可能催化反应路径如下:甲苯→苯甲酸→含氧官能团的烷烃→CO2和H2O,而更多的吸附氧物种有利于甲苯的催化氧化,且它们在催化氧化过程中起着重要的作用.另一方面,在催化反应中,阳离子的可逆价态转变(Mn^3+■Mn^4++e和Co^2+■Co^3++e)为活化氧分子提供了电子.因此,具有耦合界面的α-MnO2@Co3O4催化剂表现出更好的甲苯催化性能.此外,该制备方法可推广到其它一维MnO2材料,为开发具有实际意义的高性能催化剂提供了一种新的策略.