恭喜南開大學(xué)用YMn2O5實現(xiàn)了無能耗的超低溫臭氧分解

摘要:首次在三元氧化催化劑YMn2O5上實現(xiàn)了無能耗的超低溫臭氧分解。在−40℃的低溫條件下，YMn2O5氧化物催化臭氧分解的轉(zhuǎn)化率為29%(反應(yīng)速率為1534.2 μmol g−1 h−1)，升溫至−5℃時，轉(zhuǎn)化率迅速達(dá)到100% (5459.5 μmol g−1 h−1)。

該催化劑的低溫性能優(yōu)于已有報道的臭氧分解催化劑。結(jié)構(gòu)表征和元素價態(tài)表征證實，室溫反應(yīng)100 h后，YMn2O5仍保持不變，表明該催化劑具有良好的耐久性。O2-TPD (o2 -temperature-程控解吸)結(jié)果表明，活性位點是表面與單配位氧結(jié)合的Mn3+位點。結(jié)合原位拉曼測量和密度泛函理論計算，我們發(fā)現(xiàn)臭氧在YMn2O5上的分解反應(yīng)的勢壘僅為0.29 eV，遵循Eley - Rideal (E - R)機制，中間O2 -解吸速率為限制步長。低阻隔更大限度地減少了中間產(chǎn)物的積累，即使在超低溫下也能實現(xiàn)O3的快速分解。從根本上說，低對稱性三元氧化物中適度的Mn−O鍵強度對于在表面產(chǎn)生單配位的活性物質(zhì)至關(guān)重要，這些活性物質(zhì)負(fù)責(zé)低溫下有效的臭氧降解。

關(guān)鍵詞:臭氧分解、氧化莫來石、零能耗、超低溫活性、密度泛函理論、單配位氧

催化活性測定

采用連續(xù)流固定床石英微反應(yīng)器(直徑= 4 mm)對樣品的臭氧分解活性進(jìn)行了評價。將0.1 g催化劑裝入微反應(yīng)器，反應(yīng)氣流量為1000 mL/min (WHSV = 600,000 mL g−1 h−1)。使用氮氣水浴起泡器來增加氣體的相對濕度。氣體管路上裝有濕度探測器，以顯示氣體的相對濕度。RH通過改變N2流量來調(diào)節(jié)。反應(yīng)溫度由放置反應(yīng)器的變溫裝置控制。每次實驗開始前，反應(yīng)器在該溫度下穩(wěn)定至少10分鐘?？紤]到傳質(zhì)對催化性能的影響，催化劑顆粒篩選范圍為40 ~ 60目(250 ~ 355 μm, ISO565-1983)。催化劑床至少填充5cm，以消除內(nèi)部和外部擴散影響(關(guān)于質(zhì)量或傳熱、壓降和能耗影響的更多詳細(xì)信息可在配套信息中找到)。采用紫外燈(UV-M4, 北京同林)在氣流中生成臭氧，入口臭氧濃度保持在120±1 ppm。采用臭氧監(jiān)測儀(3S-J5000，北京同林)檢測進(jìn)、出口臭氧濃度。臭氧轉(zhuǎn)化率由下式計算

式中，Cin和Cout分別為進(jìn)口和出口臭氧濃度。為了進(jìn)一步表征反應(yīng)的活性，將反應(yīng)速率(r)和比反應(yīng)速率(rs)用催化劑重量和催化劑的比表面積(SSA)歸一化如下

式中，X為臭氧去除率，F(xiàn) (mol s−1)為氣體摩爾流量，m (g)為催化劑質(zhì)量，s (m2 g−1)為催化劑的SSA。為了排除質(zhì)量和傳熱效應(yīng)，得到動力學(xué)體系下的微分反應(yīng)速率，將催化劑的質(zhì)量降低到每個溫度下臭氧轉(zhuǎn)化率低于15%進(jìn)行計算。

此次催化劑實驗，使用的是同林UV-M4臭氧發(fā)生器和3S-J5000臭氧檢測儀。