【摘要】：甲醛是主要的室內空氣污染物,氣相中甲醛去除技術具有重要意義.常用的甲醛去除技術主要包括物理和化學吸附、光催化分解和熱催化氧化,其中能在常溫下進行的催化氧化最具發(fā)展和實用前景.能在室溫下高效催化甲醛完全氧化的催化劑一般為負載型貴金屬,如鉑(Pt)、鈀、金、銀等.除了選擇具有內在高活性的組分,通過提高貴金屬分散度,增強貴金屬-載體相互作用,增加載體的甲醛親和性等方法也可提高甲醛催化分解活性.以上方法主要關注催化劑化學性質的改良;另一方面,催化劑的微觀幾何結構以及傳質快慢對表觀催化反應速率也有重要影響.近年來研究表明,分等級結構利于反應物在材料孔隙中的擴散輸移,可大幅提高催化活性.因此,我們制備了具有分等級結構的花狀錫氧化物(SnO_x)負載的Pt納米顆粒,并研究其室溫下催化分解甲醛的性能.花狀SnO_x以氟化亞錫和尿素為原料,通過水熱法制備;Pt通過浸漬、硼氫化鈉還原法負載,制備Pt/SnO_x催化劑.另外,對SnO_x進行球磨處理破壞其分等級結構,制備g-SnO_x及Pt/g-SnO_x作為對照.通過場發(fā)射掃描電鏡觀察,制備的錫氧化物為具有分等級結構的花狀微球,直徑約1μm,由厚度約20 nm的花瓣狀納米片交錯連接而成.X射線衍射(XRD)譜圖對應四方相氧化亞錫(SnO,JCPDS 06-0395),但也觀察到四方金紅石相氧化錫(SnO_2,JCPDS 41-1445)的微弱特征峰.高分辨透射電鏡(HRTEM)僅觀察到四方相SnO的晶格條紋.根據(jù)X射線光電子能譜(XPS)結果,在花狀錫氧化物的表面,錫元素的氧化態(tài)為正四價.綜合以上表征結果表明:制備的錫氧化物主體為SnO,由于表面被空氣氧化,含有少量SnO_2.通過透射電鏡觀察Pt/SnO_X催化劑發(fā)現(xiàn),直徑2-3 nm的Pt納米顆粒高度分散負載于SnO_x納米片表面;XPS結果表明,納米顆粒中Pt的價態(tài)為0價,與HRTEM觀測結果一致.甲醛分解測試采用靜態(tài)測試系統(tǒng),在體積為6 L的測試箱中加入一定濃度甲醛后開始反應,監(jiān)測甲醛、二氧化碳(CO_2)和一氧化碳(CO)濃度隨時間的變化.結果表明,花狀SnO_x在室溫下不具有催化甲醛氧化活性,僅能通過吸附作用去除少量甲醛;而負載0價金屬態(tài)Pt納米顆粒后,甲醛快速分解為CO_2和水,且無CO生成.在初始濃度170 ppm條件下,反應1h后,甲醛去除率達到87%.Pt/SnO_x催化劑的高活性表明,金屬態(tài)Pt是催化甲醛氧化的活性組分.經(jīng)球磨處理后制備的Pt/g-SnO_x,其催化活性遠低于具有分等級結構的Pt/SnO_x;后者的二級反應速率常數(shù)為前者的5.6倍,證明分等級結構能有效加速甲醛催化氧化分解.本研究結果對于高效分解室內甲醛材料的設計、制備提供了一種指導性的新思路.
[Abstract]:Formaldehyde is the main indoor air pollutant. The commonly used formaldehyde removal technologies include physical and chemical adsorption, photocatalytic decomposition and thermal catalytic oxidation, among which the catalytic oxidation at room temperature has the most development and practical prospects. The catalysts that can efficiently catalyze the complete oxidation of formaldehyde at room temperature are supported noble metals such as platinum (Pt), palladium gold silver and so on. In addition to the selection of components with high intrinsic activity, the catalytic decomposition activity of formaldehyde can also be improved by increasing the dispersion of precious metals, enhancing the interaction between noble metals and carriers, and increasing the formaldehyde affinity of the support. The above methods mainly focus on the improvement of the chemical properties of the catalyst, on the other hand, the microstructure of the catalyst and the speed of mass transfer also have an important effect on the apparent catalytic reaction rate. Recent studies have shown that the hierarchical structure is conducive to the diffusion and transport of reactants in the pores of the materials and can greatly improve the catalytic activity. Therefore, Pt nanoparticles supported on flower-like tin oxide (SnO_x) with hierarchical structure were prepared and their catalytic decomposition of formaldehyde at room temperature was studied. The flower-like SnO_x was prepared by hydrothermal method from stannous fluoride and urea, and the Pt/SnO_x catalyst was prepared by impregnation and sodium borohydride reduction method. In addition, SnO_x was milled to destroy its grading structure, and g-SnO_x and Pt/g-SnO_x were prepared as control. Observed by field emission scanning electron microscope, the tin oxide is a flower-like microsphere with graded structure, and its diameter is about 1 渭 m. The X-ray diffraction (XRD) spectra correspond to tetragonal stannous oxide (SnO,JCPDS 06-0395), but tetragonal rutile tin oxide (SnO_2,) is also observed. The weak characteristic peak of JCPDS 41-1445). The lattice stripes of tetragonal SnO were observed only by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). According to the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the oxidation state of tin is tetravalent on the surface of flower-like tin oxide. The results of the above characterization indicate that the main body of tin oxide prepared is SnO, which contains a small amount of SnO_2. because the surface is oxidized by air. The Pt nanoparticles with diameter 2-3 nm were found to be highly dispersed on the surface of SnO_x nanoparticles by transmission electron microscopy (TEM), and the XPS results showed that the valence state of Pt in the nanoparticles was zero, which was consistent with that observed by HRTEM. A static test system was used to test the decomposition of formaldehyde. After adding a certain concentration of formaldehyde into the test box of 6 L volume, the concentration of formaldehyde, carbon dioxide (CO_2) and carbon monoxide (CO) were monitored over time. The results showed that the flower-like SnO_x had no catalytic activity for formaldehyde oxidation at room temperature, and only a small amount of formaldehyde could be removed by adsorption. However, after loading 0 valent metal Pt nanoparticles, formaldehyde rapidly decomposed into CO_2 and water, and no CO was formed. Under the initial concentration of 170 ppm, the formaldehyde removal rate reached the high activity of 87%.Pt/SnO_x catalyst after 1 h reaction. The results showed that the metal Pt was the active component of formaldehyde oxidation. The catalytic activity of Pt/g-SnO_x, prepared by ball milling is much lower than that of Pt/SnO_x; with graded structure. The second order reaction rate constant of the latter is 5.6 times of that of the former, which proves that the hierarchical structure can accelerate the catalytic oxidation decomposition of formaldehyde effectively. The results of this study provide a new guiding idea for the design and preparation of efficiently decomposing indoor formaldehyde materials.
【作者單位】： 武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室;東華理工大學放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室;沙特阿卜杜勒阿齊茲國王大學科學部物理系;
【基金】：supported by the National Natural Science Foundation of China (51320105001, 51372190, 21573170, 51272199, 21433007) the National Basic Research Program of China (973 program, 2013CB632402) the Natural Science Foundation of Hubei Province (2015CFA001) the Fundamental Research Funds for the Central Universities (WUT: 2015-Ⅲ-034) Innovative Research Funds of SKLWUT (2015-ZD-1)~~
【分類號】：O643.36

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本文編號：2391489