水滑石衍生的复合氧化物催化氧化挥发性有机气体的研究进展

挥发性有机化合物(VOCs)是大气颗粒污染物(PM2.5)和臭氧污染的主要前体物, 来源于工业活动(如溶剂使用过程)、汽车尾气以及植物排放等, 具有毒性, 对人类和自然生命产生危害. 催化氧化技术是在催化剂表面, 在较低的操作温度(200–450 °C)下, 将VOCs非均相催化氧化成CO2和H2O, 是一种最为有效的分解VOCs的方法, 具有副产物少, 能耗低的优点. VOCs分解用催化剂主要分为贵金属和金属氧化物两大类. 贵金属催化剂活性高, 但价格昂贵. 因此科研工作者一直在诸多方面调控过渡金属氧化物, 例如制备方法、组分协同、结构缺陷等, 期望获得高活性、低成本的催化剂.水滑石(LDHs)是一种层状双金属氢氧化物, 由带正电荷的金属氢氧化物层板和层间阴离子组成, 可以表示为[M1?x2+Mx3+(OH)2](An?)x/n·mH2O. 鉴于LDHs特有的结构特点, 层板元素可调、比例可调等, 其在一定温度下煅烧可以得到过渡金属复合氧化物(MMO)材料. 由于LDHs的拓扑焙烧转变得到的MMO材料显示出许多利于多相催化反应的优点, 如大表面积和多孔性、高热稳定性、良好的金属氧化物分散性等. 水滑石基催化材料用于VOCs催化分解也引起了科研工作者的持续关注和研究, 文献大多选择苯、甲苯、乙酸乙酯等工业活动中常用的挥发性有机溶剂作为探针分子来评估催化剂的活性、稳定性等参数. 本综述将LDHs衍生的VOCs降解催化剂分为4类, 整理了其近10年的研究进展: (1)含过渡金属的LDHs焙烧转变成MMO催化剂: 系统论述了层板元素组成、层板元素比例、焙烧温度、制备方法等条件对催化活性的影响规律, 阐明了不同处理条件下催化剂的物理化学特性(比表面积、孔结构、表面元素价态、氧缺陷、还原性)与催化活性的关联; (2)贵金属/MMO催化剂: 比较了贵金属种类、LDHs载体种类、负载方式等因素对催化活性的影响规律, 总结了贵金属负载在LDHs载体的优势; (3)核壳型MMO催化剂: 分析了在氧化铝球、MOF等载体上原位负载LDHs的方法构筑多级结构的MMO催化剂, 利于促进VOCs分解活性; (4)整体型MMO催化剂: 满足VOCs分解实际应用, 提出铝片基底上原位生长-煅烧制备高活性位点暴露的整体式催化剂的优点. 在催化活性基础上着重介绍了水蒸气对活性的影响以及VOCs分解催化机理. 同时提出了3点仍需努力的方向: LDHs