摘要
催化燃烧法是常见控制大气污染物的技术之一，具有二次污染物少、去除效率高、运行成本低等优势。催化剂是催化燃烧法的核心组件，它的性能直接决定了催化效率。因此，目前的研究重点是如何在控制成本的同时提升催化剂活性。近年来，由于可以实现最大限度利用活性组分，从而提升反应活性，单原子催化剂(SACs)越来越引起人们的关注。作为一类重要的SACs，目前贵金属SACs的研究较多。但在实际情况中，贵金属存在储量稀缺、成本高、易毒化等问题，这限制了它的应用。所以，价格低廉、催化活性稳定的过渡金属SACs作为其有效替代品越来越得到研究者们的关注。目前的研究重点之一是稳定的过渡金属SACs制备和在催化反应中的应用。本文利用一种简单的合成方法制备了过渡金属SACs并应用于催化降解气态污染物:一氧化碳(CO)和甲苯，同时探究其催化反应机理。主要研究结果如下: 1、以二氧化锰(MnO2)作为载体，通过氧化还原驱动水解沉淀法制备了一系列不同负载量的CuSACs，并研究了CuSACs的CO催化氧化性能。研究发现负载Cu单原子后的催化剂活性明显提升。其中Cu负载量为3wt.％时，催化剂表现出最好的CO活性（T90％=80℃），并且这一催化剂在循环实验15次后仍可以保持95％的CO转化率。通过结构表征、电镜观察和X射线吸收谱(XAS)测试分析可以确定，表面负载的Cu为单原子分散，并且与Mn间存在较强的相互作用（形成Cu-O-Mn结构）。这种相互作用可以稳定Cu单原子不发生聚集。另外，Cu单原子的引入改变了催化剂的物理化学特性，不仅可以提升活性氧物种的数量，而且形成的Cu-O-Mn结构也可以作为活性中心参与催化反应，使得催化反应过程发生了变化，进而提升了催化活性。 2、采用相同方法和载体制备了CoSACs并研究其催化氧化甲苯的活性。Co单原子与MnO2间同样存在着强相互作用，不仅可以“锚”定单原子，同时也改变了催化剂的性质。研究发现CoSACs具有较好的耐水性能，表现为甲苯转化率在水汽含量高达20vol.％时仍保持稳定。并且水汽条件下进行五次循环实验的甲苯转化温度近似，说明CoSACs具有较好的催化稳定性。不仅如此，研究发现水汽会提升CoSACs对甲苯的催化活性。实验结果表明水汽对甲苯活性的提升主要归因于活性氧物种增加:负载Co单原子产生的氧缺陷利于水分子的吸附，从而导致晶体氧的低温迁移;同位素标记实验证明了吸附水可以以晶格OH的形式作为活性氧参与甲苯催化反应。原位漫反射红外傅里叶变换光谱(in-situDRIFTS)实验证明了水汽可以促进甲苯在CoSACs表面的吸附，同时也利于甲苯向中间产物的转化，从而加快反应进程，提升催化活性。
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