摘要
随着城镇化进程的不断推进，人们对健康生活水平的要求不断提高，室内空气污染问题引起了越来越多人的关注。室内气态污染物主要来源于装饰材料和家具中挥发性有机物(VOCs)的释放，甲醛(HCHO)作为一种典型的VOCs,早在2004年就被世界卫生组织(WHO)列为一类致癌物。面对室内普遍存在的甲醛污染问题，如何高效、长效的去除室内甲醛，对实现人民日益增长的美好生活需要具有重要的现实意义。锰氧化物(MnOx)室温催化甲醛降解被认为是一种有效的方法，但面临着粉体催化活性低、催化寿命短等问题。本文采用简单的冷冻干燥法制备了一种MnOx纳米花锚定的三维块状气凝胶催化剂，通过高比表面积、高孔隙率的气凝胶的构筑，提高了MnOx粉体催化活性;通过导电气凝胶骨架的构筑以及电辅助增强催化氧化策略，延长了MnOx催化剂长效催化寿命，实现对室内环境中污染空气的高效催化降解。主要研究内容如下: (1)针对MnOx粉末在甲醛催化实际应用过程中粉末团聚导致催化活性低、粉尘污染等问题，构筑了高比表面积的MnOx/纤维素复合气凝胶，提高了MnOx的催化活性。本文将具有高长径比、良好的机械性能和丰富的表面官能团的纤维素纳米纤维(CNF)作为复合气凝胶的支撑骨架、具有优异的室温甲醛催化氧化性能的MnOx作为催化剂。通过溶胶凝胶法及冷冻干燥法构筑了具有高比表面积、高孔隙率、低密度的块状MnOx/纤维素气凝胶提高催化剂的催化活性。在室温下MnOx-80wt％/CNF的样品对于浓度为9.87ppm的甲醛静态效率为86.01％,对于浓度为15ppm的甲醛动态效率为87.16％,相对于同质量MnOx粉体，催化效率提高了近30％。然而在72h的寿命测试中，MnOx/CNF气凝胶的甲醛催化效率在10h后开始明显衰减。通过对复合气凝胶的甲醛催化机理探究，判断是因为活性氧(O*)的数量不足以满足中间产物的分解速率，导致中间产物积累，使催化剂活性位点被覆盖导致催化剂失活。 (2)针对MnOx长期催化寿命短，稳定性差的问题，本文通过添加导电炭黑(CB),构筑了MnOx/CB/CNF导电气凝胶，提高催化剂电子传输速率，从而增加表面活性氧数量，提高MnOx长期催化寿命。通过BET测试发现，20wt％导电炭黑的加入使MnOx/CB/CNF导电气凝胶具有最高的比表面积(105.2m2/g)。此外，在甲醛去除测试中发现，MnOx/CB0.2/CNF样品的静态效率达到了90.37％,动态效率为93.39％。对MnOx/CB/CNF导电气凝胶的甲醛催化机理进行分析，判断是因为在加入导电炭黑后，加速了催化剂的电子转移速率，提高活性物质的生成速率，同时使相邻的MnOx可以进行协同作用，从而在一定程度上增加甲醛催化效率以及使用寿命。 (3)为了进一步提高MnOx催化剂的催化活性以及长期催化稳定性，提出电注入增强MnOx导电气凝胶甲醛催化氧化策略，通过引入外部电流，大大提高了复合催化剂的使用寿命。在电注入情况下，MnOx/CB/CNF导电气凝胶的甲醛去除性能有明显提高，其中静态甲醛去除效率达到了99.43％,动态甲醛去除效率为99.21％。此外，在长达72h的持续甲醛通入情况下，电注入的样品甲醛催化效率基本没有衰减，且电注入时CO2产率相较于未通电情况提高了24.67％,并随通断电呈周期性变化。通过气体通断试验结合原位DRIFTS、O2-TPD与EPR测试等检测手段，初步明确了电注入增强MnOx/CB/CNF导电气凝胶甲醛催化性能的机理:由于外电子注入促进了Mn价态转变，提高了晶格氧的迁移率和表面活性物质的数量，减少了中间产物的产生，从而提高催化剂的使用寿命。
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