核壳结构Pd@CeO?/γ-Al?O?催化剂:提升化学计量法天然气车辆尾气处理的效率和耐久性

《Chinese Journal of Catalysis》:Core-shell Pd@CeO 2/γ‐Al 2O 3 catalysts: Boosting efficiency and durability in stoichiometric natural gas vehicle exhaust treatment

【字体: 时间:2026年02月12日 来源:Chinese Journal of Catalysis 17.7

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  催化分解臭氧的研究表明,纯硅Beta沸石负载的Ag-Mn催化剂(Ag-Mn/Beta-Si)在潮湿条件下表现出优异性能(99%转化率持续12小时),归因于AgMnO?的生成抑制Ag烧结并减少水吸附竞争。

  
冯莉|叶玛|万明宇|吕亚婷|袁佳敏|韩世超|马后宇|王亮|孟向军|郑安民|马彦航|肖凤寿
中国浙江省杭州市浙江大学化学系,310058

摘要

臭氧的催化分解被认为是最有效、经济可行且最有前景的臭氧消除策略之一。在多种氧化物负载的银催化剂中,基于二氧化锰的催化剂表现出优异的活性,但银的烧结问题以及在潮湿条件下水的竞争性吸附仍存在挑战,这些因素严重阻碍了它们的催化性能。本研究制备了一种纯二氧化硅Beta沸石负载的Ag-Mn催化剂(Ag-Mn/Beta-Si),该催化剂在臭氧分解过程中表现出优异的催化性能。这一性能主要归因于在纯二氧化硅Beta沸石上原位形成的AgMnO2:新形成的AgMnO2作为活性位点,有效防止了银纳米颗粒(Ag NPs)的烧结;同时,纯二氧化硅Beta沸石的疏水性有助于在潮湿条件下抑制水分子在活性位点上的吸附。这些结论通过水分子的平均平方位移和扩散系数的理论模拟以及样品透射电子显微镜图像的实验结果得到了验证。

引言

作为空气污染物,对流层臭氧在人口密集地区日益受到关注,其生成与挥发性有机化合物(VOCs)和氮氧化物(NOx)的光化学反应密切相关[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]。臭氧的催化分解被认为是最有效、经济可行且最具吸引力的臭氧消除方法[9, 10, 11, 12, 13]。由于O–O键的特殊分解特性,基于银的催化剂在臭氧分解方面具有巨大潜力[14, 15]。在各种氧化物负载的银催化剂中,基于二氧化锰的系统因其在臭氧分解中的优异催化性能而受到广泛关注[16, 17, 18, 19],但它们仍面临烧结问题以及在潮湿条件下水的竞争性吸附问题,这些问题严重降低了它们的催化性能[20, 21, 22, 23]。
在异相催化中,金属纳米颗粒(NP)的烧结是高温或潮湿环境下的常见失活机制,主要受奥斯特瓦尔德熟化过程(Ostwald ripening)驱动[24, 25, 26, 27, 28]。为了解决这一问题,人们开发了多种用于烧结金属催化剂的再分散技术,包括氧化还原循环、氯化-氧氯化处理以及使用卤代烃进行热处理[29, 30, 31]。然而,这些方法操作复杂且对环境不友好。为了解决这一问题,有人利用脱铝的Beta沸石在氢化反应中逆转了Cu纳米颗粒的奥斯特瓦尔德熟化过程[32]。此外,最新研究表明,纯二氧化硅Beta沸石的疏水性有利于水的快速脱附和转移[33, 34, 35, 36, 37],从而显著提升了甲醛氧化的催化活性。
考虑到臭氧的催化分解通常发生在空气中的水蒸气环境中[38, 39, 40, 41],以及Beta沸石在逆转奥斯特瓦尔德熟化过程中的独特结构[32],本研究选用了疏水的纯二氧化硅Beta沸石作为负载Ag-Mn物种的载体(记为Ag-Mn/Beta-Si)。结果表明,Ag-Mn/Beta-Si在高温潮湿条件下具有很高的臭氧分解活性,且长期使用后仍能保持这种活性。催化剂表征显示,原位形成的AgMnO2作为新的活性位点,有效防止了银纳米颗粒的烧结,从而维持了催化活性;同时,纯二氧化硅Beta沸石的疏水性有助于在潮湿条件下抑制水分子在活性位点上的吸附。

催化剂制备

催化剂的制备

通过将AgNO3和Mn(NO3)2溶液浸渍到不同的载体上,在室温下制备了一系列Ag-Mn催化剂,从而可以调节银和锰的负载量。浸渍后,将多余的水分在80°C的旋转蒸发器中去除。催化剂在80°C下干燥过夜,然后在450°C下以1°C/min的升温速率煅烧4小时。以下是6%Ag-4%Mn/ Beta-Si催化剂的详细制备步骤:

臭氧分解性能

图1(a)显示了在相对湿度为65%、空速为840000 h–1的条件下,一系列基于银的催化剂对40 ppm臭氧的催化活性。6%Ag-4%Mn/Beta-Si在12小时后的臭氧转化率达到99%,远优于其他具有相同银和锰负载量的催化剂。图1(b)显示了一系列6%Ag-xMn/Beta-Si(x代表锰的百分比)催化剂的臭氧分解活性

结论

具有克雷德纳石(Crednerite)结构的AgMnO2在磁学和光学领域得到了广泛研究,但其催化作用鲜有报道[49, 50, 51]。本研究通过在纯二氧化硅Beta沸石负载的Ag-Mn催化剂上原位形成AgMnO2纳米颗粒,证明了其在臭氧分解中的卓越催化性能,这一结论得到了实验和理论研究的验证。此外,纯二氧化硅Beta沸石的疏水性特性也有助于...

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢武汉科技大学高性能计算中心以及浙江大学化学仪器中心的陈芳在技术支持方面的帮助。
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