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纳米催化因其在材料科学和实际多相催化中的突出贡献而成为一个快速发展的研究方向。因为催化性能在纳米尺度很大程度上依赖于催化剂的尺寸和形貌,所以合理地设计和高效合成高性能的催化剂成为了催化研究者们关注的重要问题。
锰氧化物在染料降解、醇类氧化、挥发性有机物的燃烧、CO氧化等催化反应中有着广泛的应用。因此,为了制备催化性能优异的锰氧化物催化剂,研究其表面组成和形貌对反应性能的影响十分必要。在本论文工作中,针对纳米结构锰氧化物,主要开展了以下方面的工作:
(1)采用水热方法合成MnOOH一维纳米线,通过MnOOH在不同气氛和温度中煅烧得到尺寸和形貌相似的MnO2、Mn2O3和Mn3O4,将几种不同的锰氧化物用于以O2为氧源的苯甲醇液相氧化反应。结果表明,几种锰氧化物的苯甲醇氧化反应活性顺序为MnO2> Mn2O3~Mn3O4>MnOOH,并且苯甲醛是主要的反应产物。通过XPS,SEM,TEM和H2-TPR等一系列手段对催化剂的形貌和结构进行了表征,并讨论了可能影响反应活性的一些因素。MnO2的良好催化性能可能与其晶格氧具有较高的迁移率以及氧化还原能力有关。对高活性的MnO2纳米棒进行了循环使用性能的测试。结果表明,通过简单的焙烧处理,可以使MnO2催化剂在苯甲醇氧化反应中具有良好的重复使用性。
(2)采用水热法合成Mn3O4纳米八面体,通过煅烧前驱体MnOOH得到Mn3O4纳米棒,将两种不同形貌的Mn3O4纳米晶体分别应用于催化H2O2降解亚甲基蓝和CO氧化反应。结果表明,在降解亚甲基蓝的反应中,Mn3O4纳米棒的活性要优于八面体,而在CO氧化反应中,八面体的活性要优于纳米棒。通过SEM,TEM,XPS和TPR等一系列表征方法对不同形貌的Mn3O4进行了表面和体相结构的表征。通过分析可知,两种形貌的Mn3O4纳米晶体反应性能的区别可归结为由于暴露晶面的不同而导致表面结构的差异。结合相关催化反应的机理,对活性区别的原因进行了探讨。