低温等离子体协同分子筛@NiFe催化剂去除VOCs

作     者：李想 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈秉辉;郑进保;叶凯

授予年度：2021年

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] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：低温等离子体 VOCs 催化 核-壳催化剂 片层结构 HZSM-5@NiFe 

摘      要：随着工业的发展,VOCs排放量日益增加,会对人体以及环境造成不利影响,因而寻求高效降解VOCs的方法迫在眉睫。特别地,以现有的VOCs降解技术处理低浓度的工业VOCs,往往存在能耗相对较高的问题。而低温等离子体降解VOCs由于其能耗低,在常温常压下反应以及其随开随关的优势,在处理低浓度VOCs方面应用备受关注。但是,单独等离子体对VOCs降解效率较低,并会生成O3以及NOx等副产物。加入催化剂则可以明显改善单独等离子体的不足,但目前大多数催化剂尚未与等离子体形成优异的耦合作用,更致命的是稳定性差,因此,有必要开发出高稳定性高活性的催化剂以适应低温等离子体处理低浓度VOCs的工业应用需求。本文开发出了一类具有核-壳结构的分子筛@NiFe(如13X@NiFe、HZSM-5@NiFe)。其中,核层为分子筛,一般具有良好的吸附VOCs性能;而壳层为2D片层组成的3D花状结构。核层分子筛、壳层双金属氧化物相互配合,可以明显提升催化剂吸附VOCs的性能和活化氧的能力,使得复合催化剂表现出优异的活性以及稳定性。以此为基础,本文探究了不同制备方法,不同种类核层对分子筛@NiFe复合催化剂结构性能的影响。结果发现,HZSM-5@NiFe吸附VOCs性能最强,Hβ@NiFe次之,13X@NiFe最弱。鉴于三种催化剂的壳层表面组成及片层形貌基本一致,壳层的电场增强效应使其表面将产生大量的活性物种。而活性物种在介孔中传递及反应将显著影响VOCs的降解。注意到,介孔含量最高的Hβ@NiFe降解VOCs的性能甚至不如介孔含量相对较低的HZSM-5@NiFe,说明此时介孔内的反应和核-壳界面处的反应对VOCs降解具有重要的贡献,甚至后者的贡献更大。即,得益于核层HZSM-5优异的吸附性能,在核-壳界面处有更高浓度的VOCs分子被活化,与相应的活性物种发生反应,核-壳界面可能是VOCs反应的主场所。在此基础上,对比不同制备方法对HZSM-5@NiFe催化剂结构性能影响,结果发现,不同制备方法的壳层结构截然不同。其中,水热法制备出的HZSM-5@NiFe催化剂壳层为优异的片状结构,其性能也最佳。而对比不同组分的壳层,HZSM-5@NiFe相较于HZSM-5@CoNi和HZSM-5@CoFe表现出更为优异的降解性能。在此基础上,本文探究了不同HZSM-5与NiFe比例以及不同Ni与Fe 比例对复合催化剂结构性能的影响,以期获得最佳的比例。结果发现,HZSM-5与NiFe 比例会影响催化剂核壳界面与介孔数量。随着NiFe含量的提高,介孔数量增加但核壳界面减小,介孔主要起传递活性物种的作用,而核壳界面应是反应的主场所之一。因此,催化剂活性呈现先上升后下降的趋势。当HZSM-5与NiFe比例为2:1时,VOCs降解效率最优。Ni与Fe 比例会明显影响壳层形貌,Ni物种的存在有使壳层成片的趋势,而Fe物种的存在有使壳层成颗粒的趋势。当Ni与Fe 比例为1:1时,此时片层最小,放电间隙最小,从而导致场强越大,电荷越多;并且此时氧物种的流动能力较强,复合催化剂具有最佳的VOCs降解性能。最后,将具有最优活性的HZSM-5@NiFe原粉涂覆于陶瓷蜂窝,并将所制的蜂窝催化剂进行模试试验。结果发现其对非甲烷总烃降解效率以及能量效率分别为74.1%以及5.3 g/kWh,比单独的等离子体分别高出46.3%以及3.3 g/kWh。可见,HZSM-5@NiFe蜂窝催化剂具有较好工业应用潜力和前景。