随着环境问题愈发严峻,对大气污染的主要污染物之一的挥发性有机气体（Volatile Organic Compounds,VOCs）的治理受到越来越多的关注与重视。VOCs是空气中普遍存在的一种有机污染物,其对环境的危害主要有两点,一方面是有部分VOCs本身就具有毒理特性,直接危害人体健康,另一方面是一些VOCs和排放到大气中的SO₂,NO_x在一定的条件下,可以形成硝酸盐、硫酸盐等,同时在反应的过程中还能够形成臭氧,造成近地层臭氧污染,并且部分产物又可以进一步生成PM2.5,对人体呼吸道产生巨大威胁。为了缓解这一现状,大量科研人员致力于VOCs的净化,并提出了诸多方法,如吸附法、冷凝法、热燃烧法、生物技术、光催化和催化氧化等。其中催化氧化技术因其高效,无二次污染物的生成及工作温度低的独到之处,被认为是最有效净化VOCs的方法并且实用范围也极为广泛。而该技术的关键之处则是在于高性能催化剂的开发。对比贵金属催化剂,过渡金属因其价格低廉,地球上矿产储备丰富,不易失活等优点受到了人们的关注和深入的研究。其中Co₃O₄的材料已被证明是消除VOCs最有效的非贵金属氧化物之一,诸多学者为进一步提升Co₃O₄净化VOCs的性能提供了大量方法和思路。本文从阳离子置换效应为出发点,制备出不同过渡金属阳离子掺杂的MCo₂O₄和一系列的介孔中空球状Mn_xCo_3-xO₄催化剂,对其在丙酮催化氧化反应中的活性及其理化性质进行了相关研究,主要内容如下:1.采用醇热法制备出不同过渡金属阳离子置换的尖晶石结构介孔中空球状MCo₂O₄（M=Co,Ni,Cu）催化剂,通过调控醇热溶液的金属盐前驱体的比例,从而获得不同过渡金属阳离子置换的催化剂。通过XRD、Raman、FESEM、HRTEM、BET、XPS、H₂-TPR、O₂-TPD等表征技术,得到催化剂的各类理化性质,结果显示尖晶石介孔中空球状Co HMS,Ni HMS,Cu HMS制备成功,并通过在线活性评价装置对所制备催化剂的性能进行测试。活性测评的结果显示,三种催化剂催化丙酮完全氧化的活性顺序为:Cu HMS>Ni HMS>Co HMS。Cu HMS催化剂的优越活性是由于其表面具有更多的缺陷位点和较大比例的Co³⁺活性位点,表面氧空位可以促进气相中的氧气在催化剂表面进行吸附及活化,并产生O₂^-、O^-等具有强氧化性的活性氧物种。同时,对其活性结果进行了动力学研究,结果显示三种催化剂的活性差异不是源自于比表面积。最后,Cu HMS催化剂在稳定性测试中的表现说明其具备良好的稳定性和优秀的耐水性。2.通过醇热法制备出一系列尖晶石结构介孔中空球状Mn_xCo_3-xO₄催化剂。通过FESEM、HRTEM、XRD、Raman、EPR、BET、XPS、H₂-TPR和O₂-TPR对催化剂的理化性质进行表征,并通过在线活性评价装置对所制备催化剂的性能进行测试。活性结果显示Mn_1.20Co_1.80O₄样品对丙酮氧化的能力最强,其T₉₀为130℃,未检测到除CO₂以外的含碳副产物。其优越的性能可以归结于Mn-Co之间的协同作用,而协同促进作用主要表现为:离子半径较小的Mn离子进入Co₃O₄晶格后,发生晶格畸变,致使催化剂表面的氧缺陷增多,增强了对O₂的吸附和活化为活性氧物种的能力,并暴露出更多作为反应位点的Co³⁺,提高了催化剂的氧化还原能力等。这说明Mn的加入有效改善了Mn_xCo_3-xO₄催化剂表面的结构和性质。另外在长时间的稳定性实验后,Mn_1.20Co_1.80O₄催化剂仍表现出良好的活性和优秀的耐水性,证明了其潜在的应用价值。