MnOx/g-C3N4光热协同催化净化NO的性能增强和反应机理

陈鹏 董帆 冉茂希 李佳芮

引用本文: 陈鹏,  董帆,  冉茂希,  李佳芮. MnOx/g-C3N4光热协同催化净化NO的性能增强和反应机理[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 619-629. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63029-3 shu
Citation:  Peng Chen,  Fan Dong,  Maoxi Ran,  Jiarui Li. Synergistic photo-thermal catalytic NO purification of MnOx/g-C3N4: Enhanced performance and reaction mechanism[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 619-629. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63029-3 shu

MnOx/g-C3N4光热协同催化净化NO的性能增强和反应机理

  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2016YFC02047);国家自然科学基金(51478070,21501016,21777011);重庆市高校创新团队(CXTDG201602014);重庆市自然科学基金(cstc2017jcyjBX0052).

摘要: 许多研究表明,MnOx和g-C3N4均有催化氧化NO的活性,并且探索了它们各自的转化机理.然而,MnOx/g-C3N4复合材料的光热催化机理仍然是一个未解决的问题.我们通过室温沉淀法直接合成不同摩尔比的MnOx/g-C3N4,并发现其表现出良好的光热协同催化氧化NO的性能.MnOx/g-C3N4催化剂在g-C3N4表面含有不同价态的MnOx.通过原位红外光谱在60℃下研究了紫外-可见光诱导的MnOx热催化NO的机理以及MnOx/g-C3N4光热协同催化NO的机理.结果表明,光照对MnOx热催化NO的过程几乎没有影响,但对MnOx/g-C3N4光热协同催化NO产生积极作用并且形成重要的催化循环机制.具体过程是光生电子(e-)转移到MnOx上参与光热协同的还原循环(Mn4+→Mn3+→Mn2+),且低价Mn离子易给出电子(e-)与光生空穴(h+)相结合而诱导逆向的循环(Mn2+→Mn3+→Mn4+),使活性氧空位再生.通过MnOx(Mn4+/Mn3+/Mn2+)变价而产生的活性氧(O-)可将中间产物(NOH和N2O2-)氧化为终产物(NO2-和NO3-).这将为开发更好的净化NOx的催化剂提供重要的指导意义.
XRD表征结果表明,MnOx/g-C3N4复合催化剂的结晶度较低.TEM和XPS表征结果表明,g-C3N4表面含有多种低结晶度的MnOx,主要含有MnO,MnO2和Mn2O3.此外,通过对比MnOx和1:5 MnOx/g-C3N4催化净化NO的XPS结果,发现反应后的MnOx含有大量Mn-Nitrate且Mn3+和Mn4+大幅度减少;同时,反应前后1:5 MnOx/g-C3N4的Mn2+,Mn3+和Mn4+的含量变化微弱.BET-BJH测试结果显示,MnOx/g-C3N4复合催化剂的比表面积和孔容均高于纯g-C3N4.UV-VisDRS测试结果显示,MnOx/g-C3N4复合催化剂显示了良好的可见光吸收能力.紫外-可见光催化去除NO的测试结果表明,1:5 MnOx/g-C3N4(44%)的光催化活性明显高于MnOx(28%)和g-C3N4(36%).ESR测试结果表明,参与反应的主要活性物种为·O2-自由基.EPR测试结果表明,1:5 MnOx/g-C3N4的氧空位明显多于MnOx,丰富的活性氧空位更有利于电子的迁移且促进Mnn+n=2,3和4)的变价而诱导O2分子形成活性氧(O-).以上结果清晰地表明1:5 MnOx/g-C3N4表现出不同的理化特性.
可见光催化氧化NO的原位红外光谱表明,光照前后MnOx催化氧化NO的过程没有明显的变化,表明其属于典型的热催化过程,综合上述表征结果发现MnOx的氧缺陷是Mnn+n=3和4)变价的活性位点,可诱导O2产生活性氧催化氧化NO为硝酸盐吸附在MnOx上;光照前后1:5MnOx/g-C3N4催化氧化NO的过程有明显不同,光照前主要表现为g-C3N4表面MnOx的热催化过程,而光照后1:5 MnOx/g-C3N4为光热协同催化NO的过程.具体过程是g-C3N4的光生电子(e-)转移到MnOx上参与光热协同的还原循环(Mn4+→Mn3+→Mn2+),且低价Mn离子易给出电子(e-)与光生空穴(h+)相结合而诱导逆向的循环(Mn2+→Mn3+→Mn4+)使活性氧空位再生.通过MnOx(Mn4+/Mn3+/Mn2+)变价而产生的活性氧(O-)可将中间产物(NOH和N2O2-)氧化为终产物(NO2-和NO3-).

English

    1. [1] V. I. Pârvulescu, P. Grange, B. Delmon, Catal. Today, 1998, 46, 233-316.

    2. [2] C. F. You, X. C. Xu, Energy, 2010, 35, 4467-4472.

    3. [3] F. Dong, T. Xiong, Y. J. Sun, L. L. Lu, Y. X. Zhang, H. J. Zhang, H. W. Huang, Y. Zhou, Z. B. Wu, Appl. Catal. B, 2017, 219, 450-458.

    4. [4] M. Y. Zhang, C. T. Li, L. Qu, M. F. Fu, G. M. Zeng, C. Z. Fan, J. F. Ma, F. M. Zhan, Appl. Surf. Sci., 2014, 300, 58-65.

    5. [5] L. Olsson, H. Persson, E. Fridell, M. Skoglundh, B. Andersson, J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 6895-6906.

    6. [6] M. Jabłońska, R. Palkovits, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 49-72.

    7. [7] Y. Y. Du, Z. L. Hua, W. M. Huang, M. Y. Wu, M. Wang, J. Wang, X. Z. Cui, L. X. Zhang, H. R. Chen, J. L. Shi, Chem. Commun., 2015, 51, 5887-5889.

    8. [8] M. Kang, E. D. Park, J. M. Kim, J. E Yie, Appl. Catal. A, 2007, 327, 261-269.

    9. [9] H. Tong, S. X. Ouyang, Y. P. Bi, N. Umezawa, M. Oshikiri, J. H. Ye, Adv. Mater., 2012, 24, 229-251.

    10. [10] Z. H. Ai, W. K. Ho, S. C. Lee, L. Z. Zhang, Environ. Sci. Technol., 2009, 43, 4143-4150.

    11. [11] C. Xue, H. An, X.Q. Yan, J. L. Li, B. L.Yang, J. J. Wei, G. D. Yang, Nano Energy, 2017, 39, 513-523.

    12. [12] B. Lin, G. D. Yang, B. L. Yang, Y. X. Zhao, Appl. Catal. B, 2016, 198, 276-285.

    13. [13] J. Y. Li, W. Cui, Y. J. Sun, Y. Chu, W. L. Cen, F. Dong, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 9358-9364.

    14. [14] W. Ding, S. Q. Liu, Z. He, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1711-1718.

    15. [15] K. Wei, K. X. Li, Z. X. Zeng, Y. H. Dai, L. S. Yan, H. Q. Guo, X. B. Luo, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1804-1811.

    16. [16] B. Lin, H. An, X. Q. Yan, T. X. Zhang, J. J. Wei, G. D. Yang, Appl. Catal. B, 2017, 210, 173-183.

    17. [17] F. Dong, Z. Y. Wang, Y. H. Li, W. K. Ho, S. C. Lee, Environ. Sci. Technol., 2014, 48, 10345-10353.

    18. [18] W. Cui, J. Y. Li, W. L. Cen, Y. J. Sun, S. C. Lee, F. Dong, J. Catal., 2017, 352, 351-360.

    19. [19] B. Lin, H. Li, H. An, W. B. Hao, J. J. Wei, Y. Z. Dai, C. S. Ma, G. D. Yang, Appl. Catal. B, 2018, 220, 542-552.

    20. [20] Y. Yu, Y. F. Bu, Q. Zhong, W. Cai, Catal. Commun., 2016, 87, 62-65.

    21. [21] F. Fina, S. K. Callear, G. M. Carins, J. T. S. Irvine, Chem. Mater., 2015, 27, 2612-2618.

    22. [22] G. G. Zhang, J. S. Zhang, M. W. Zhang, X. C. Wang, J. Mater. Chem., 2012, 22, 8083-8091.

    23. [23] A. Thomas, A. Fischer, F. Goettmann, M. Antonietti, J. O. Mueller, R. Schloegl, J. M. Carlsson, J. Mater. Chem., 2008, 18, 4893-4908.

    24. [24] G. G. Zhang, J. S. Zhang, M. W. Zhang, X. C. Wang, J. Mater. Chem., 2012, 22, 8083-8091.

    25. [25] Y. Y. Du, Z. L. Hua, W. M. Huang, M. Y. Wu, M. Wang, J. Wang, X. Z. Cui, L. X. Zhang, H. R. Chen, J. L. Shi, Chem. Commun., 2015, 51, 5887-5889.

    26. [26] K. H. Park, S. M. Lee, S. S. Kim, D. W. Kwon, S. C. Hong, Catal. Lett., 2013, 143, 246-253.

    27. [27] J. H. Li, J. J. Chen, R. Ke, C. K. Luo, J. M. Hao, Catal. Commun., 2007, 81896-1900.

    28. [28] X. J. Yao, K. L. Ma, W. X. Zou, S. G. He, J. B. An, F. M. Yang, L. Dong, Chin. J. Catal., 2017, 38, 146-159.

    29. [29] F. D. Liu, H. He, Y. Ding, C. B. Zhang, Appl. Catal. B, 2009, 93, 194-204.

    30. [30] V. P. Santos, M. F. R. Pereira, J. J. M. Órfão, J. L. Figueiredo, Appl. Catal. B, 2010, 99, 353-363.

    31. [31] W. P. Shan, F. D. Liu, H. He, X. Y. Shi, C. B. Zhang, Appl. Catal. B, 2012, 115-116, 100-106.

    32. [32] Y. H. Li, K. L. Lü, W. K. Ho, Z. W. Zhao, Y. Huang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 321-329.

    33. [33] M. Sterrer, O. Diwald, E. Knözinger, J. Phys. Chem. B, 2000, 104, 3601-3607.

    34. [34] I. Nakamura, S. Sugihara, K. Takeuchi, Chem. Lett., 2000, 1276-1277.

    35. [35] C. Sedlmair, K. Seshan, A. Jentys, J.A. Lercher, J. Catal., 2003, 214, 308-316.

    36. [36] G. Ramis, G. Busca, V. Lorenzelli, P. Rorzatti, Appl. Catal., 1990, 64, 243-253.

    37. [37] M. Chen, Z. H. Wang, D. M. Han, F. B. Gu, G. S. Guo, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 12763-12773.

    38. [38] Z. B. Wu, B. Q. Jiang, Y. Liu, H. Q. Wang, R. B. Jin, Environ. Sci. Technol., 2007, 41, 5812-5817.

    39. [39] M. Mihaylov, K. Chakarova, K. Hadjiivanov, J. Catal., 2004, 228, 273-281.

    40. [40] B. Azambre, L. Zenboury, A. Koch, J. V. Weber, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 13287-13299.

    41. [41] J. C. S. Wu, Y. T. Cheng, J. Catal., 2006, 237, 393-404.

    42. [42] M. M. Azis, H. Harelind, D. Creaser, Catal. Sci. Technol., 2014, 5, 296-309.

    43. [43] N. Tang, Y. Liu, H.Q. Wang, Z. B. Wu, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 8214-8220.

    44. [44] M. Kantcheva, J. Catal., 2001, 204, 479-494.

    45. [45] B. Azambre, L. Zenboury, A. Koch, J. V. Weber, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 13287-13299.

    46. [46] M. Kantcheva, A. S. Vakkasoglu, J. Catal., 2004, 223, 352-363.

    47. [47] L. Lu, H. Tian, J. H. He, Q. W. Yang, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 23660-23668.

    48. [48] K. C. Schwartzenberg, J. W. J. Hamilton, A. K. Lucid, E. Weitz, J. Notestein, M. Nolan, J. A. Byrne, K. A. Gray, Catal. Today, 2017, 280, 65-73.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  1139
  • HTML全文浏览量:  123
文章相关
  • 收稿日期:  2017-12-22
  • 修回日期:  2018-01-19
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章