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編輯推薦: |
1.实用性,催化燃烧法在VOCs治理技术市场具有较高的占有率,本书所介绍的MOFs为前驱体制备的金属氧化物催化剂对部分VOCs的催化性能比贵金属催化剂更突出,因此其具有广阔的应用前景,相关研究具有较强的传播价值和参考价值。2.参考性,本书选取MOFs为前驱体制备钴锰基金属氧化物催化剂用于甲苯和丙酮催化氧化,详细介绍了催化剂掺杂改性、性能调控与测试,可为高活性、强稳定性钴锰基金属氧化物催化剂的设计构筑提供理论依据和技术支撑。3.专业性,本书内容凝练了作者所承担的多个项目成果,保障了内容的深度和专业性。
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內容簡介: |
本书以大气中挥发性有机污染物(VOCs)催化氧化为主线,从导论出发,阐述了VOCs的种类、危害及治理技术,分析了当前治理VOCs的主流技术——催化氧化技术中催化剂的研究现状、非贵金属氧化物催化氧化VOCs发展趋势、近年来MOFs衍生金属氧化物催化氧化VOCs现状及发展趋势、VOCs催化氧化机理等,主要介绍了MOFs衍生的钴锰基金属氧化物的制备及催化性能研究,并探讨了焙烧条件及金属掺杂等对MOFs衍生的钴锰基金属氧化物催化剂催化氧化甲苯和丙酮等VOCs性能的影响,并对此类催化剂的创新进行了总结,对其在VOCs催化氧化领域的应用进行了展望。本书思路新颖,数据内容翔实,具有较强的针对性和参考价值,可供环境催化及相关领域科研人员参考,也可供高等学校环境科学与工程、化学工程、材料工程及相关专业师生参阅。
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關於作者: |
雷娟,博士,太原工业学院副教授,研究方向为环境催化,先后发表SCI论文5篇(2篇TOP期刊),发表中文核心论文2篇,获得授权国家发明专利1项,实用新型专利3项。近年先后参与了多项VOCs催化氧化领域的国家自然科学基金项目,主持研究了省部级和校级等项目6项,包括山西省教育厅科技创新项目、气体能源清洁高效利用山西省重点实验室开放基金、太原工业学院重点基金、太原工业学院青年学术带头人支持计划项目和山西省青年基金项目,参与山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”项目1项。
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目錄:
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第1章 概论 1
1.1 VOCs 污染物分类、来源及危害 2
1.2 VOCs 主要治理技术 5
1.2.1 物理处理技术 5
1.2.2 生物降解技术 6
1.2.3 化学降解技术 7
1.3 VOCs 催化氧化催化剂的研究现状 8
1.3.1 贵金属催化剂 8
1.3.2 非贵金属催化剂 12
1.4 非贵金属氧化物催化氧化VOCs 发展趋势 17
1.4.1 钴基金属氧化物催化剂 18
1.4.2 锰基金属氧化物催化剂 21
1.5 MOFs 衍生金属氧化物催化氧化VOCs 现状及发展 趋势 25
1.5.1 MOFs 衍生物在催化领域的研究概述 25
1.5.2 MOFs 衍生物在VOCs 催化领域的应用 26
1.5.3 MOFs 衍生金属氧化物催化氧化VOCs 发展趋势 27
参考文献 32
第2章 VOCs催化氧化反应机理 41
2.1 VOCs 催化氧化反应机理概述 42
2.1.1 Marse-van Krevelen(MVK) 模型 42
2.1.2 Langmuir-Hinshelwood(L-H) 模型 42
2.1.3 Eley-Rideal(E-R) 模型 43
2.2 甲苯催化氧化反应机理研究现状 43
2.3 丙酮催化氧化反应机理研究现状 46
参考文献 50
第3章 实验方法和内容 52
3.1 实验药品及仪器 53
3.1.1 化学试剂 53
3.1.2 实验气体 53
3.1.3 实验仪器 54
3.2 材料表征方法 54
3.2.1 X 射线粉末衍射 54
3.2.2 扫描电子显微镜 55
3.2.3 高倍透射电子显微镜 55
3.2.4 氮气吸脱附表征 55
3.2.5 拉曼光谱表征 55
3.2.6 X 射线光电子能谱 56
3.2.7 H2- 程序升温还原/O2- 程序升温还原 56
3.2.8 元素碳、氢、氮测试 56
3.2.9 电感耦合等离子体原子发射光谱分析 56
3.2.10 傅里叶原位红外光谱法 56
3.3 催化剂的制备 57
3.3.1 Co/Mn-MOFs 的合成 57
3.3.2 钴氧化物催化剂和锰氧化物催化剂的制备 58
3.3.3 钴基复合金属氧化物催化剂的制备 58
3.3.4 锰基复合金属氧化物催化剂的制备 58
3.4 催化剂性能研究 58
3.4.1 催化剂活性评价 58
3.4.2 催化剂稳定性测试 60
3.4.3 分析和计算方法 60
参考文献 61
第4章 MOFs衍生的钴锰基金属氧化物的制备及催化性能研究 62
4.1 以不同Co-MOFs 为前驱体制备的钴氧化物及其催化氧化性能 65
4.1.1 研究内容 65
4.1.2 结果与讨论 66
4.2 以不同Mn-MOFs 为前驱体制备的锰氧化物及其催化氧化性能 80
4.2.1 研究内容 80
4.2.2 结果与讨论 81
参考文献 95
第5章 焙烧条件对以ZSA-1为前驱体制备Co3O4 催化剂催化氧化甲苯的影响 100
5.1 研究内容 102
5.1.1 Co3O4 催化剂的制备 102
5.1.2 样品表征 103
5.1.3 催化剂活性评价 103
5.1.4 催化剂稳定性测试 103
5.1.5 催化剂降解甲苯的机理研究 103
5.2 结果与讨论 103
5.2.1 结构分析 103
5.2.2 催化剂表面成分和还原性能 107
5.2.3 催化活性测试 109
5.2.4 催化剂稳定性测试 116
5.3 催化剂催化氧化甲苯的机理研究 117
参考文献 120
第6章 不同金属掺杂ZSA-1制备钴基复合金属氧化物用于甲苯催化氧化 122
6.1 Mn 掺杂制备钴基复合金属氧化物用于甲苯催化氧化 123
6.1.1 研究内容 124
6.1.2 结果与讨论 125
6.1.3 催化剂催化氧化甲苯的机理研究 141
6.2 不同金属掺杂制备钴基复合金属氧化物用于甲苯催化氧化 143
6.2.1 研究内容 145
6.2.2 结果与讨论 146
6.2.3 催化剂M-Co1Cu1Ox 催化氧化甲苯的机理研究 161
参考文献 164
第7章 不同方法制备Cu掺杂Mn3O4 催化剂用于甲苯丙酮混合气催化氧化 169
7.1 研究内容 171
7.1.1 催化剂合成 171
7.1.2 样品表征 171
7.1.3 催化剂活性评价 171
7.1.4 催化剂稳定性测试 172
7.2 结果与讨论 172
7.2.1 催化剂的结构表征 172
7.2.2 催化剂表面成分和还原性能 177
7.2.3 催化活性对比研究 180
7.2.4 催化剂稳定性测试 186
7.3 催化剂催化甲苯、丙酮及双组分混合气的机理研究 187
参考文献 192
第8章 创新及展望 195
8.1 结论 196
8.2 创新性 198
8.3 展望 199
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內容試閱:
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党的十八大报告首次提出建设美丽中国的奋斗目标,“美丽中国”的环境指标体系包括空气清新、水体洁净、土壤安全、生态良好、人居整洁5 类,是我国实现社会主义现代化强国的生态文明建设目标。“十四五”规划和党的二十大报告进一步明确推进美丽中国建设:到2035 年,生态环境根本好转,美丽中国目标基本实现。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》也明确了加强细颗粒物和臭氧协同控制这条主干线。而作为二者的重要前驱体,亟须开展挥发性有机污染物(VOCs)的净化研究,在众多VOCs 中,以甲苯为典型代表的芳香烃和以丙酮为典型代表的含氧VOCs 在工业源排放最常见的六类VOCs 中具有最高的臭氧生成潜势和较强的光化学反应活性,对人体和环境的危害极大,因此常作为VOCs 治理研究的目标污染物。
在众多治理技术中,催化燃烧具有相对低温操作、催化效率高、无二次污染、可回收热能等优点,是当前VOCs 的主流控制技术。催化燃烧技术的关键在于高效、廉价、长寿命催化剂的开发。在目前主要的两大类催化剂中,贵金属催化剂因其优异的低温催化活性和良好的水蒸气抗性受到了市场的长期青睐。然而,其储量低、价格昂贵且易中毒,不符合催化剂廉价且寿命长的要求。相比之下,非贵金属催化剂廉价易得、有较高的稳定性和机械强度,尤其是钴锰基金属氧化物催化剂,在一些VOCs 催化氧化中其性能可以与贵金属媲美,有望取代贵金属催化剂实现VOCs 的绿色高效治理。
金属有机框架配合物(MOFs),是一种由金属团簇和有机配体结合而成的多孔结构的聚合物,具有比表面积大、孔隙丰富、易于合成、稳定性较好、超低密度及灵活可变等特点,因此受到了学者们的广泛关注和持续研究。近年来,以MOFs为前驱体,在高温和一定气氛(空气或氮气和氦气等惰性气体)环境中煅烧,制备包括多孔金属氧化物、多孔炭和纳米粒子/ 炭等MOFs 衍生物一度成为研究热点。这些MOFs 衍生物不仅能保留母体的过渡金属元素(如Ni、Mn、Fe、Co、Cu等)和其配体中的C、H、O、N 等催化体系的必需元素,而且还能继承其前驱体MOFs 的高比表面积和丰富的孔隙结构,有利于反应物的吸附和催化,可调变的孔径也能保障催化反应较高的传质和扩散能力。此外,还可以利用MOFs 材料的多样性,预先选择或设计前驱体MOFs 组成和结构等,来有效控制衍生金属氧化物的结构、形貌和组成等性质,进而对其催化性能进行调控。
除上述优势外,以MOFs 为前驱体制备的金属氧化物不仅能遗传母体的孔结构,而且其颗粒大小、组成、比表面积和孔容、低温还原性能等物理化学特性在制备过程中都可得到有效调控。与母体MOFs 相比,由于经过了高温处理,这些衍生物具有更高的活性和稳定性,能承受更为严苛的反应条件,因而扩大了其应用范围,目前已成功应用于吸附、分离、催化、传感等众多领域,其中在催化领域的应用主要包括电化学、催化氧化CO、催化氧化VOCs 等。因此,本书选取MOFs 为前驱体制备钴锰基金属氧化物催化剂用于甲苯和丙酮催化氧化,以期实现对VOCs的绿色高效治理。
本书以低温高效、高温稳定的VOCs 催化氧化钴锰基金属氧化物催化剂为创制目标,选取MOFs 为前驱体,高温热解制备钴锰基金属氧化物催化剂,并对其中性能较好的金属氧化物催化剂进行掺杂改性,制备钴锰基复合金属氧化物用于甲苯和丙酮的催化氧化,系统研究了以MOFs 为前驱体制备钴锰基金属氧化物催化剂的有效调控和VOCs 催化氧化活性之间的关系,并对相关催化剂的催化机理进行了探索。本书的撰写顺应国家相关重大政策导向,基于解决“美丽中国”建设过程中空气清新这一具体问题。同时,非贵金属氧化物催化剂的开发也符合当前国家绿色环保的政策要求,旨在为高活性、强稳定性钴锰基金属氧化物催化剂的设计构筑提供理论依据和技术支撑,促进VOCs 绿色高效治理的有效实施,着力推进美丽中国建设,对推动我国挥发性有机污染物的防控具有重大科学意义与应用价值。
本书由雷娟著。全书在撰写过程中得到了王爽教授的大力支持和帮助;同时,陈佳佳、白宝宝和黄颖等同学在资料收集、数据处理和图片绘制等方面做了大量的辅助工作,在此一并表示衷心的感谢!
限于著者水平及撰写时间,书中难免存在不足和疏漏之处,敬请广大读者提出宝贵的修改建议。
著者
2023 年12 月
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