作为细颗粒物与臭氧的前体物，挥发性有机物(VOCs)的排放控制是当前大气污染防治工作的重点。国内的工业源有机废气组成复杂，在医药、钢铁烧结等行业多见含氯组分，大部分行业的废气含水量高，且催化燃烧过程中易因工况波动导致催化剂遭受高温热冲击，因此，提高催化剂的抗高温与抗氯抗水性能是当前研究工作的热点。本文基于具有良好热稳定性的层状钙钛矿开展了VOCs催化氧化反应特征及催化剂改性研究，考察了其对典型VOCs（如苯系物、烷烃及氯代烷烃）的催化氧化性能及抗氯抗水能力。
本文首先以镍基RP层状钙钛矿为模型，考察了其层状结构中的氧物种特征，发现具有无限钙钛矿层的LaNiO3拥有丰富的表面氧和良好的低温氧化还原性能，岩盐层与单钙钛矿层交错的La2NiO4仅拥有大量迁移性优异的间隙氧原子，而兼具岩盐层与多钙钛矿层结构的La4Ni3O10同时保持了一定数量的吸附氧和良好的近表面晶格氧移动性。基于上述特征，本文随后分别以甲苯与甲烷作为苯系物与烷烃催化氧化的反应探针，分析了层状钙钛矿参与催化氧化过程的活性氧物种种类。结果表明，LaNiO3有利于苯系物类催化氧化反应（以表面反应为主）的进行，La4Ni3O10利于烷烃类催化氧化反应（以界面反应为主）的进行，La2NiO4在苯系物及烷烃催化氧化中的活性均不理想。相关研究证明了化学吸附氧与近表面晶格氧分别是甲苯和甲烷催化反应的活性氧物种，而间隙氧原子本身没有反应活性。
在二氯甲烷(DCM)的催化氧化中，本文明确了酸性与近表面晶格氧移动性对DCM催化性能的影响;选用锰基RP层状钙钛矿为催化剂，并采用表面磷酸化处理实现了提高催化剂比表面积、增加酸性位点以及提升低温氧化还原性能的目的，有效改善了催化剂对DCM的吸附与深度氧化性能。最后，基于无水条件下催化剂的失活研究发现，丰富的羟基和优异的晶格氧移动性有效提高了磷酸化催化剂的脱氯能力和稳定性。在富水条件下，高浓度水汽抑制了磷酸化锰基层状钙钛矿的氯中毒，显著提升了其对DCM的催化氧化活性，反应温度较之改性前下降了约130℃;将水汽浓度进一步增加至10vol％时，其催化活性未发生明显变化，表现出较强的抗水性能。
本文通过上述研究明晰了类钙钛矿型催化剂中参与VOCs催化氧化反应的主要活性氧物种;基于多层钙钛矿结构，构建了磷酸盐-类钙钛矿的复合催化体系，在高湿环境下有效降低了其催化DCM的反应温度，并增强了其抗氯抗水性能，为催化剂的优化设计和类钙钛矿型催化材料的应用提供了实验及理论依据。
- 作 者：
- 孟庆洁
- 学科专业：
- 环境工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 浙江大学
- 导师姓名：
- 吴忠标翁小乐
- 学位年度：
- 2018
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
