氧化锰系复合热催化材料制备及室温降解甲醛性能研究

摘要

甲醛是主要的室内空气污染物之一，长期接触甲醛会对人的身体健康造成严重的损害。过渡金属氧化物催化氧化法是一种具有实用价值的甲醛去除方法。本文通过还原KMnO4的方法制备了MnO2/PET、MnO2/AlOOH和MnO2/AlOOH/Al等MnO2系复合催化剂，应用于室温下室内甲醛去除。 首先通过水解后的PET纤维表面-OH还原KMnO4在室温下制备MnO2/PET复合催化剂，加入一定量甲醇补充 MnO2的负载量。所制得 MnO2部分包裹在PET纤维表面。MnO2在PET表面的生长过程分为表面原位合成和表面沉积。在去除甲醛的静态测试中，MnO2/PET表现出较好的室温去除甲醛的能力，其催化行为表现为“吸附-氧化”过程。 MnO2/PET复合催化剂在室温下的成功制备证实了这种MnO2合成方法的可行性。之后通过简化的微乳液法方法制备了AlOOH粉体，其具有超高的比表面积和大量的表面-OH。将 AlOOH 与 KMnO4在室温下反应制备了不同比例的MnO2/AlOOH复合催化剂。经过测试比较，复合催化剂在室温下去除甲醛的性能超过了纯MnO2，其中以A10M6样品催化性能最佳。MnO2/AlOOH复合催化剂具有均匀分布的部分结晶结构，这种结构易于产生多种价态的Mn离子和大量缺陷，有利于电荷传输。通过Al离子、Mn离子和空位缺陷参与的电荷交换，可以激活临近的表面-OH，使其具有氧化活性，成为催化甲醛反应的活性位点。Al离子的存在一方面利于电荷交换，另一方面利于形成部分结晶结构，且影响Mn离子的价态，产生更具有氧化性的高价 Mn 离子。结合对 MnO2、MnO2/PET 和MnO2/AlOOH 复合催化剂的表征及性能测试，总结了过渡金属氧化物室温降解低浓度甲醛的反应机理，将其阐述为吸附作用、氧化作用和自我再生。不同于其它研究通过各种方法提高MnO2本身的催化性能，MnO2/AlOOH通过MnO2改性AlOOH，发挥了协同作用，是一种新型的复合催化材料。 为解决MnO2/AlOOH复合催化剂的负载问题，结合通过水热反应在Al丝表面生长AlOOH的方法，尝试了经两步反应制备MnO2/AlOOH/Al复合催化剂。120℃水热反应成功在Al丝表面生成了柳叶状AlOOH纳米片，而将AlOOH/Al样品浸泡在KMnO4溶液中难以在室温下生成MnO2。加入一定量NaOH略微提高了 MnO2的生成量。进一步尝试了通过一步水热反应在 Al 丝表面直接生成MnO2/AlOOH复合物，表面氧化物的生成量有了明显的提升。对比了不同NaOH添加量对产物的影响，Al丝表面生成的氧化物除AlOOH外，还包括MnO2/AlOOH复合物、δ-MnO2和非晶MnO2。相比之下，具有丰富MnO2种类的MAA-2T样品具有较好的去除甲醛性能。

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