石墨烯/金属复合物/铂的制备及其室温氧化甲醛性能

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随着生活和工作方式的改变,人们将90%的时间花在室内,因此室内空气质量变得尤为重要。甲醛是影响室内空气质量的主要因素之一。目前,除去室内甲醛的常用方法包括物理/化学吸附,植物净化,光催化氧化,等离子体氧化和热催化氧化(包括室温)。其中,室温催化氧化被视为是最具有发展前景的方法,因为它无需额外的发光、发热、等离子体等发生装置,就可以将甲醛降解为二氧化碳和水。本文制备了两种分等级的石墨烯/金属复合物材料,通过浸渍–化学还原法在其表面负载微量高度分散的铂纳米颗粒,所得催化剂具有优异的室温甲醛催化降解活性和稳定性。主要内容如下:(1)通过改进的Hummers工艺制备氧化石墨烯(GO)悬浮液,然后,通过水热法制备具有似蜂窝结构的层状镍铁双金属氢氧化物/还原氧化石墨烯(NiFe–LDH/rGO)复合材料。最后通过浸渍–硼氢化钠还原法将微量铂纳米颗粒负载于其表面制得催化剂Pt/NiFe–LDH/rGO。由电镜照片观察到,尺寸均一的NiFe–LDH纳米片垂直均匀地分布于rGO表面,使其具有较丰富的孔隙结构和较大的比表面积,这有利于气相反应介质的扩散,暴露更多表面活性位点,也促进了铂纳米颗粒的分散。原位红外光谱显示,室温甲醛降解的主要中间产物为二氧亚甲基和甲酸盐,由此推断出其可能的催化反应机理与过程。与对比样相比,本文制备的催化剂Pt/NiFe–LDH/rGO的室温甲醛降解性能有很大的提升,可以看出,石墨烯复合材料在室内甲醛净化方面具有一定的应用前景。(2)在上述工作的基础上,我们还研究了过渡金属氧化物/还原氧化石墨烯复合材料的室温甲醛氧化活性。通过简单的水热法和硼氢化钠还原法制得载体NiMn2O4/rGO及其相应的负载贵金属催化剂。由电镜结果可知,rGO的存在使产物由团聚的微球转变为似三明治状的分等级结构,从而避免了NiMn2O4纳米片的团聚,使其具有更大的比表面积,这有利于暴露出更多的表面活性位点,同时也有助于铂纳米颗粒的分散。此外,GO与KMnO4之间可以发生氧化还原反应,从而加速了MnO4的转化,大大提升了催化剂的产率。由XPS分析可知,rGO、NiMn2O4与Pt之间存在电子转移,表明三者间存在一定的界面和协同作用。通过原位DRIFTS检测出反应的中间产物有二氧亚甲基和甲酸盐,进而推断出了合理的氧化反应过程。与Pt/NiMn2O4相比,催化剂Pt/NiMn2O4/rGO的室温催化氧化活性得到显著提升,并且在经过循环测试后仍具有较高的甲醛转化率。由此,石墨烯的引入改善了材料的结构与固有活性,这为制备新型的三维纳米复合材料催化剂提供了新的思路。
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