锰基催化剂的制备及其催化分解臭氧性能研究
近年来，即使空气质量不断改善，但臭氧污染不断加重，尤其是夏季。由于臭氧具有强氧化性，对生态系统和人类的健康产生巨大的威胁，因此，亟需开发经济高效、安全稳定的臭氧分解技术。催化分解法因其能耗低、效率高等特点而备受关注，其中锰氧化物由于材料来源广、催化性能优异等特点受到了研究者的广泛研究。本文选用锰氧化物作为臭氧分解的活性中心，主要研究了负载型MnOx催化剂和隐钾锰矿型二氧化锰(OMS-2)两类催化剂用于臭氧分解反应，重点考察了催化剂的构效关系，本论文的研究结果如下: 首先以锰氧化物作为活性组分，考察了分子筛载体的类型和活性组分负载量对臭氧分解活性的影响，结果发现以ZSM-5-27为载体，Mn负载量为20％时催化分解臭氧性能更好。在此基础上，通过优化分子筛的硅铝比和改性Mn活性组分，进一步提高催化剂的臭氧分解性能。制备了一系列不同硅铝比的20Mn/ZSM-5-x(x=27、81、200)用于臭氧分解反应，结果表明，Mn负载量相同时，硅铝比为81的20Mn/ZSM-5-81催化臭氧分解的活性更高，主要是由于ZSM-5-81分子筛具有适宜的酸性和疏水性。采用Ce对20Mn/ZSM-5-81进行改性，在室温，臭氧浓度为600ppm，相对湿度为50％，质量空速为360L/(g×h)的条件下，经过5h的测试，8Ce20Mn/ZSM-5-81的臭氧转化率维持93％。XRD、NH3-TPD、H2-TPR、XPS和氧同位素交换等表征结果表明，与20Mn/ZSM-5-81样品相比，8Ce20Mn/ZSM-5-81催化剂中Mn2+和Mn3+的相对含量增加;MnOx和CeO2的相互作用可以加速电子转移，提高催化剂的还原能力和增加催化剂表面氧含量，从而加速臭氧分解反应。 接下来，研究了不同锰前驱体(Mn(Ac)2、MnSO4、Mn(NO3)2)和金属掺杂对隐钾锰矿型二氧化锰(OMS-2)的结构及其催化臭氧分解性能的影响。结果发现以Mn(Ac)2为前驱体合成的OMS-2-Ac催化臭氧分解的活性最高，在室温，相对湿度为50％，质量空速为360L/(g×h)，臭氧浓度为600ppm的反应条件下，经过5h的测试，OMS-2-Ac的臭氧转化率维持在80％左右。一系列的表征结果表明OMS-2-Ac的比表面积较大，晶体粒径较小，氧空位含量较高，且其还原能力较强，有利于与臭氧反应。随后，采用原位金属掺杂方式，将高价金属(W、V、Nb)引入OMS-2体系，其催化分解臭氧的活性顺序如下:W-OMS-2＞V-OMS-2＞OMS-2＞Nb-OMS-2，XRD结果发现W-OMS-2和V-OMS-2催化剂的晶体结构发生变化，生成了新相斜方锰矿型MnO2，且比表面积增大，还原能力提高，表面Mn3+含量增加，氧空位含量提高，从而表现出更优异的臭氧分解性能。
臭氧分解;锰氧化物;ZSM-5分子筛;金属掺杂;吸附氧
北京化工大学
硕士
化学工程
张润铎;李宇展
2021
中文
O658.62
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）