摘要
化石能源作为我国最主要的一次能源，在使用过程中会产生大量的挥发性有机污染物（VOCs）,严重危害环境和人体健康，因此，VOCs的消除尤为重要。目前，催化氧化技术是消除VOCs最有效的方法之一，该技术面临最大的挑战是高活性和高稳定性催化剂的开发。由于Co3O4具有多变的价态及Fd（3）m对称尖晶石（AB2O4）结构，通过合理取代A位Co离子得到的二元钴氧化物具有更多Co3+、表面氧空位和更高的氧化还原能力。在整体式催化剂基底中泡沫镍具有良好的传热传质性能，因此，在泡沫镍基底上设计制备了一系列钴基复合金属氧化物整体式催化剂，考察了其对典型VOCs（如甲苯）的催化氧化性能，通过多种表征探究催化剂的构效关系。 用不同的过渡金属（Mn、Ni和Fe）取代Co3O4中A位Co合成MCo2O4纳米片整体式催化剂（MCo-NS）,以甲苯作为单芳烃模型测试深度氧化VOCs性能。H2-TPR、XPS及性能测试结果表明，Mn和Ni取代Co3O4中的A位Co,由于离子半径和电子状态的不同，导致晶格畸变，得到的二元钴氧化物具有更多Co3+、表面氧物种、更高的活化气相氧的能力和晶格氧迁移率。从而，MnCo-NS和NiCo-NS表现出比参考催化剂Co-NS更高的催化甲苯氧化性能。其中，MnCo2O4纳米片催化剂因具有较高的氧化还原能力、高表面Co3+及丰富的表面吸附氧物种从而展示出最高的催化甲苯氧化活性，其T90为254℃,优于NiCo-NS 和 FeCo-NS。 为优化MnCo-NS的催化氧化甲苯性能，通过调节锰钴配比、水热时间和煅烧温度来调节MnCo-NS催化剂表面氧空位浓度、以及Co3+和Mn3+表面含量。SEM、H2-TPR和性能测试结果表明，当钴锰比为1∶1、水热时间为12h、煅烧温度为400℃时，催化剂（MnCo-SUO）展示出类海胆形貌，具有较高的氧化还原能力和催化氧化甲苯活性。此外，探究了空速和甲苯初始浓度对MnCo-SUO催化氧化甲苯活性的影响，结果表明MnCo-SUO样品在12000 mL·g-1·h-1空速下可以在243℃转化90％的甲苯。 为了进一步提高催化氧化甲苯性能，分别采用直接沉积法、光还原法和氢气还原负载法在MnCo-SUO催化剂上负载Pt。通过采用不同的负载方法调节Pt与锰钴复合氧化物之间的相互作用。研究结果表明，光还原法和氢气还原法负载的Pt和锰钴复合氧化物之间存在的相互作用提高了锰钴复合氧化物的Co3+和Mn3+的表面含量，增加了活性氧物种数量，这有利于甲苯吸附和氧化，并且Pt/MnCo-SUO 界面上的协同氧空位(Pt2+-Ov-Mnδ+)和 Mn3++Co3+(?)Mn4++Co2+可以作为氧气“泵”，将气态氧气转化为表面活性氧物种，最终促进甲苯的深度氧化。其中，Pt/MnCo-SUO-R展示出最高的催化氧化甲苯活性，其T50为207℃,优于其他负载在泡沫镍上的Co2AlO4@Co-CoLDHs催化剂(其T50为263℃)。同时，Pt/MnCo-SUO-R在长时间连续反应期间甲苯转化率维持在90％以上，表现出较高的稳定性。
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