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易挥发性有机化合物(VOCs)作为大气污染物的重要来源,其处理手段一直受到广泛的关注,目前认为催化燃烧是最有发展前景的废气处理方法。稀土氧化铈因其优良的储放氧能力在催化燃烧领域受到广泛的应用,但对于其纳米材料在催化燃烧领域的研究主要集中在尺寸效应,对形貌效应方面的研究还远远不够。
本文采用经典的碱水热方法制备了具有不同形貌特征的纳米氧化铈单晶,如纳米棒、纳米立方体和纳米八面体；选取二氯甲烷(DCM)和乙酸乙酯(EAC)分别作为含氯(CVOCs)和含氧(OVOCs)易挥发性有机化合物的模型反应物,探讨了其在上低温催化燃烧的行为。主要研究结论如下:
(1)改变水热时间、温度、碱液浓度和阴离子种类等,研究制备条件对纳米氧化铈材料形貌的影响。研究发现,在强碱中水热晶化,纳米氧化铈形貌随温度升高逐渐由纳米棒变为纳米立方体；碱浓度越大,纳米氧化铈的尺寸越大,同时均一性也越差；水热时间越长形貌越完整,但尺寸均一性也受到影响。在磷酸钠弱碱中,纳米八面体会向纳米棒状结构转化。氯离子的存在有利于一维结构的棒状氧化铈的生成。
(2)H2-TPR测试表明纳米棒氧化铈的储放氧能力和储放氧稳定性要高于纳米立方体和纳米八面体材料；CO2-TPD测试表明纳米棒氧化铈具有较强的碱性；Raman测试表明纳米棒具有更多的氧缺陷位。催化燃烧活性试验表明纳米棒氧化铈活性优于其它形貌的氧化铈材料,甚至胜过贵金属类催化剂。纯氧化铈材料对于含氯物种的催化燃烧稳定性差,中高温时失活严重；而对于含氧物种的催化燃烧,则表现出良好的活性和稳定性。
(3)采用一次水热法和二次水热法合成掺杂过渡金属的氧化铈纳米棒材料。在目前的制备条件下,过渡金属的引入均将一定程度破坏纳米棒形貌的完整性。H2-TPR测试表明杂原子的引入能显著提高材料的氧化还原能力。但与纯氧化铈纳米棒相比,在VOCs的催化燃烧中,掺杂氧化铈纳米棒活性并没有明显提高。