钴基双金属催化剂光热催化氧化含氧挥发性有机物的性能及其机制研究

作     者：王煌彬 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡芸

授予年度：2022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] 

主      题：含氧挥发性有机物 光热催化 水滑石 MOFs衍生材料 双金属复合催化剂 

摘      要：挥发性有机物(VOCs)是目前大气污染防治的重点对象之一,尤其是具有高反应活性的含氧挥发性有机物(OVOCs),是造成臭氧、光化学烟雾等二次污染的重要元凶,对其治理迫在眉睫。光热催化是近年来新兴的一种耦合技术,与单独的热催化和光催化相比,以太阳能为输入能源并将其转换为热能,既解决了能耗高的问题,同时又具有高效的VOCs催化氧化能力。但目前报道的光热催化材料存在全光谱光利用率尤其是红外光利用不足和易烧结团聚、稳定性较差等问题,因此亟需开发一种具有全光谱光吸收能力和高活性高稳定性的光热催化剂。而水滑石(LDHs)和金属有机骨架(MOFs)由于本身具有活性位点分散且结构稳定的优势,分别将它们作为前驱体衍生获得双金属复合材料,用于OVOCs光热催化氧化。通过控制碱刻蚀时间从而实现对Co Al-LDHs的阳离子和氧空位含量的调变,随后再煅烧制备得到钴铝层状双金属氧化物催化剂(Co Al-LDOs-x),并应用于全光谱模拟太阳光照下甲醇和丙酮的光热催化氧化。相比于未碱刻蚀的Co Al-LDOs-0,碱刻蚀9 h的Co Al-LDOs-9表现出最佳的光热催化活性和良好的稳定性。研究表明,该催化剂的最佳活性归结为碱刻蚀产生了阳离子空位导致表面产生更多的Co活性位点,同时碱刻蚀也产生了部分氧空位,从而加速了表面活性氧物种(ROS)的吸附转化。此外,通过原位红外证明了光照对晶格氧和气相氧的激活作用,并阐明了甲醇的氧化路径。以ZIF-67为前驱体通过调节煅烧温度获得一系列钴锰双金属与氮掺杂碳(NC)复合的衍生物催化剂(Mn/Co-NC-x),并应用于甲醇和丙酮的光热催化氧化。相比于Co-NC-x,Mn/Co-NC-x均表现出增强的丙酮催化活性,其中Mn/Co-NC-600更是具有优异的稳定性及耐水性,归因于其表面丰富的氧物种以及最高的Mn含量,有利于提高催化活性。更为重要的是,由于Mn/Co-NC-x中NC的强红外光吸收能力,从而促进衍生物的全光谱光吸收性能。Mn/Co-NC-600中丰富的吡啶N和NC含量,有利于提高电子-空穴的分离和转移效率,促进活性物种的生成,从而进一步增强光驱动热催化反应的进行。