摘要
挥发性有机化合物（VOCs）是臭氧和PM2.5的重要前体，是今后一段时期国内外大气治理的重点。催化氧化法由于具有运行温度低、净化效率高、二次污染少等优点而被广泛应用于处理VOCs。在众多VOCs氧化催化剂中，贵金属Pt基催化剂展现出了良好的VOCs催化氧化活性，但其在高温下易团聚烧结，导致活性下降。通过分子筛刚性骨架包封贵金属可以有效稳定金属纳米颗粒，提高Pt基催化剂稳定性。同时，一些过渡金属物种（例如Mn）可以与Pt发生协同作用，提升VOCs的催化氧化性能。基于上述分析，本文围绕分子筛限域金属纳米颗粒（金属@分子筛）的策略，制备了Pt@ZSM5和PtMnx@ZSM5催化剂，研究了它们对典型VOCs的催化活性，并分析了其催化机理。主要工作如下： （1）采用有机配体辅助的一锅水热法合成了ZSM-5限域Pt纳米颗粒催化剂（Pt@ZSM5），探究了其对不同VOCs（苯、甲苯、丙酮）的催化活性。研究发现，当Pt负载量为0.66wt.%时，Pt@ZSM5催化氧化苯、甲苯和丙酮的T90值分别为146℃，163℃和200℃，活性均优于浸渍法制备的Pt/ZSM5（对应的T90值分别为164℃，185℃和207℃），这主要归因于Pt@ZSM5中的Pt具有较小的金属颗粒尺寸以及较高的表面能，有利于提高催化活性和金属效率。此外，Pt@ZSM5展现出良好的稳定性和耐用性，具有实际工业应用前景。 （2）采用一锅水热法，在Pt@ZSM5的基础上掺杂了Mn物种，合成了一系列PtMnx@ZSM5双金属催化剂，研究了Mn掺杂量对催化剂性能的影响。研究发现，Mn的掺杂极大地提高了对丙酮的催化活性，当Pt/Mn质量比为1/0.2时（PtMn0.2@ZSM5），T90值比Pt@ZSM5低了40℃，该催化剂同时具有优异的稳定性。然而，PtMnx@ZSM5对苯和甲苯的催化活性则随着Mn负载量的增加而下降，当Pt/Mn质量比为1/1时，PtMn1@ZSM5对苯和甲苯的T90值分别比Pt@ZSM5高了32℃和16℃。研究发现，这是由于催化剂对不同VOCs的活性位点不同，其中对苯和甲苯起主要活性的是Pt位点，而对丙酮起主要活性的是Pt-Mn界面位点，因此Mn掺杂对不同VOCs催化活性的影响差异较大。 （3）对分子筛限域的PtMnx@ZSM5双金属催化剂中Pt-Mn之间的相互作用以及其促进丙酮催化氧化的反应机理进行了探究。研究发现，锰的掺杂促进了电子从Mn向Pt转移，使得更多的Pt离子被还原成高活性的Pt0物种，从而促进了丙酮的氧化反应。同时，电子转移产生更多的酸性位点，尤其是L酸位点，有利于丙酮分子的吸附、C-C键的断裂以及酸性产物CO2的解吸，这进一步加速了丙酮氧化反应的正向进行。最后提出了丙酮在PtMn0.2@ZSM5上的反应遵循L-Hamp;nbsp;反应机理，即其首先被吸附在催化剂表面，之后被吸附活化的氧物种逐级氧化为乙酸盐，甲酸盐，最终生成CO2和水。
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