一氧化碳(CO)和挥发性有机物(VOCs)产生的途径众多,主要包括固定工业源、汽车尾气排放源和日常生活源,不仅会污染大气环境,还会危害人体健康。因此,有效地将它们从众多环境中消除是一个迫切的要求。催化氧化具有反应温度低、能耗低、活性高、选择性好、稳定性好等优点。过渡金属Mn具有多种价态(+2、+3、+4、+7),使得锰氧化物的离子交换性能优异,氧化还原性能良好。具有混合价态Mn离子的锰氧化物八面体分子筛(OMS-2)还具备无限层间和孔道结构,通过掺杂其它金属,可以显著提高OMS-2的电荷转移能力和催化活性。 本论文研究内容主要分为三个部分: 第一部分:本章采用缓冲溶液法制备了锰氧化物OMS-2,采用水热法制备其他三种锰氧化物α-MnO2,β-MnO2和δ-MnO2,评价这四种锰氧化物对CO、乙酸乙酯和甲苯的催化氧化活性,利用XRD、BET、TG、XPS、O2-TPD、H2-TPR等技术手段表征这四种锰氧化物的物理和化学性质,探究不同催化氧化活性背后跟锰氧化物催化剂相关的更深层次的原因。研究结果表明,β-MnO2催化氧化CO的活性最好,在147℃能到达到90%的转化效率。而δ-MnO2催化氧化乙酸乙酯和甲苯的活性最好,达到90%的转化效率的催化温度分别为205℃和305℃。四种锰氧化物对CO和VOCs的催化氧化活性不一致,可能与CO和VOCs本身的性质有关。δ-MnO2催化氧化VOCs活性最好的原因与其优良的低温还原能力和氧移动性能及丰富的氧空位有关。虽然OMS-2活性不如δ-MnO2,但是其制备成功率高,产量稳定,故选用OMS-2作为本底,做后续的金属负载。 第二部分:采用前掺法制备了OMS-2负载Ni的催化剂(xNi/OMS-2:x=1,3,5,10wt%)。采用XRD、FT-IR、BET、SEM、XPS、O2-TPD、H2-TPR和in situ DRIFTS技术对合成材料的物化性质进行了表征,并评价了它们对CO、乙酸乙酯和甲苯的催化氧化活性。Ni的负载对OMS-2的理化性能有重要的改善作用。在所有样品中,5Ni/OMS-2表现出最好的催化活性,其中CO氧化的T90%为155℃(空速60000mL/(gh)),乙酸乙酯氧化的T90%为225℃(空速240000mL/(gh)),甲苯氧化的T90%为300℃(空速240000mL/(g h)),这是由于它具有较高的Mn3+含量和Oads浓度,良好的低温还原性和晶格氧迁移率,以及Ni物种与OMS-2载体之间的强相互作用。In situ DRIFTS表征结果表明,CO、乙酸乙酯和甲苯在OMS-2负载的Ni样品上首先被吸附活化,然后形成中间产物,最后完全转化为CO2和H2O。 第三部分:采用前掺法制备了隐钾锰矿型OMS-2负载Fe(xFe/OMS-2:x=1,3,5,10wt%)催化剂。采用一系列技术对xFe/OMS-2的物化性质进行了表征,评价了其催化氧化CO、乙酸乙酯和甲苯活性。在所有样品中,5Fe/OMS-2表现最好,T90%为CO氧化160℃,乙酸乙酯氧化210℃,甲苯氧化285℃。5Fe/OMS-2具有良好的催化性能与其较高的(Mn3++Mn2+)含量和吸附氧浓度、良好的低温还原性和晶格氧迁移率以及Fe与OMS-2的强相互作用有关。此外,还研究了CO、乙酸乙酯和甲苯在5Fe/OMS-2上的催化氧化机理。在OMS-2负载的Fe样品上,CO、乙酸乙酯和甲苯首先在催化剂表面进行吸附活化,然后形成中间产物,最后完全转化为CO2和H2O。