一种具有C–O–M双界面的Pt/a-CO/TiO2催化剂及其在VOCs净化中的应用

本发明涉及一种新型催化剂的制备方法，该催化剂具有c–o–m(m＝pt和ti)双功能界面，适用于典型挥发性有机化合物(vocs)的高效光热协同催化消除。该催化剂的制备技术及其应用，属于催化化学和环境化学领域，具有显著的创新性和应用价值。

背景技术：

1、挥发性有机物(vocs)是大气中臭氧(o3)和细颗粒物(pm2.5)形成的关键前体物之一。餐饮油烟中的vocs成分复杂，涵盖烷烃、烯烃、芳香烃、醛酮、酸酯、醇类及多环芳烃等。vocs处理技术主要分为两类：一是物理方法，如吸收、膜分离和冷凝；二是化学或生物技术，涵盖生物降解、热焚烧、光催化及催化燃烧。催化氧化技术因其高效和低二次污染特性，被广泛采用。光热催化技术通过结合光能和热能，充分利用太阳光，具备条件温和、选择性高等优点，更适用于城市餐饮业vocs排放治理需求。

2、光热协同催化氧化技术有效融合了热催化和光催化的优势，旨在解决传统热催化过程中的高能耗问题以及光催化效率不足的局限。在餐饮油烟vocs消除中，开发高效的光热协同催化剂是关键。已有研究表明，结合贵金属(如pt、pd、ru等)对vocs的高效吸附和活化能力，以及金属氧化物(如tio2、fe2o3等)等材料在光照下产生的高效光生载流子激发效应等优势，复合纳米结构已被报道显示出相对优异的光热催化燃烧或选择性氧化性能。zhang等人(l.l.kang,et al.,angew.chem.int.ed.2020,59,12909-12916.)研究了pt/tio2-wo3催化剂上丙烷的光热氧化过程，发现光热外场同时作用抑制了pt催化剂的氧中毒现象，加速c–h键在pt表面活化，丙烷转化率为70％时的反应温度从324降低至90℃，表观活化能从130降低至11kj/mol。jia等人(g.h.li,et al.,j.hazard.mater.2023,449,131041.)以mil-125为前驱体，经高温灼烧制备了具有丰富氧空位的pt/mn-tio2催化剂，在180℃光热共存条件下，甲苯的转化率达到80％，远高于热催化条件下的50％。同时，光热协同作用也显著提高了co2的选择性。

3、尽管现有复合纳米结构催化剂在光热催化领域取得了进展，但仍面临贵金属与载体间相互作用不强、电子-空穴对分离效率较低、电荷转移过程缓慢等技术挑战，这些问题限制了反应物和分子氧在吸附位点的有效利用，影响了催化剂的整体性能。针对上述挑战，本发明采用简单的水热法和乙二醇还原法制备了具有c–o–m(m＝pt和ti)双界面的pt/a-co/tio2催化剂(a-co为非晶含氧碳层的缩写，amorphous carbon oxide)，显著降低了光热消除餐饮油烟中典型vocs(包括但不限于戊烷、庚烷、辛烷、乙醇、己醛、乙酸乙酯或甲苯)的温度。在140℃和200mw cm-2全太阳光谱光照下，pt/a-co/tio2催化正庚烷转化速率分别是pt/tio2和pt/a-co的8.7倍和61.8倍。pt/a-co/tio2催化正庚烷的光热催化转化速率分别是其光催化和热催化的14.0和11.7倍。经过40小时的(水)热稳定性测试，pt/a-co/tio2催化剂仍保持了高效的光热催化活性，显示出优异的长期稳定性。

4、据现有文献和专利检索结果，尚未发现有关构建c–o–m(m＝pt和ti)双界面结构的pt/a-co/tio2催化剂的报道，尤其是在典型vocs(包括但不限于戊烷、庚烷、辛烷、乙醇、己醛、乙酸乙酯或甲苯)的光热催化消除应用方面的研究。本发明首次提出了一种创新的pt/a-co/tio2催化剂的可控制备策略，该催化材料显著提升了vocs的光热催化净化效率。这种结构创新为光热催化技术在vocs净化领域的应用提供了新的可能性，并有望推动相关领域的技术进步。

技术实现思路

1、本发明的核心目标是开发一种具有c–o–m(m＝pt和ti)双界面结构的pt/a-co/tio2催化剂。该催化剂通过优化界面相互作用，显著提升了对反应物的吸附活化和光生电子的利用效率，从而实现了对典型vocs的高效光热协同催化消除。

2、一种具有c–o–m双界面的pt/a-co/tio2催化剂及其在vocs净化中的应用，本发明具体包括以下步骤：

3、催化剂合成具体步骤如下：

4、(1)ptpt胶体悬浮液制备

5、将20ml溶于乙二醇的naoh溶液(0.26mol/l)缓慢滴加到h2ptcl6·6h2o的乙二醇溶液(20ml，20g/l)中。搅拌30min后，将混合物在油浴中加热至160℃，在n2气氛下保持搅拌3h，得到深棕色的pt胶体悬浮液(优选浓度3.7g/l)。

6、(2)a-co/tio2制备，即c–o–ti界面构建；取tio2溶于中，超声处理1h至分散均匀；向该溶液中添加葡萄糖，搅拌30min后，转移至特氟纶内衬的不锈钢高压釜中，在180℃下保持3h；将得到的产物用去离子水和乙醇分别洗涤数次，随后进行离心和干燥处理；最后，在n2气氛下于500℃焙烧2h，升温速率2℃/min，得到a-co/tio2；每0.5g tio2对应2-8g葡萄糖；

7、(2)pt/a-co/tio2制备，即c–o–pt界面构建；将步骤(2)制备的a-co/tio2分散于乙醇中，均匀分散后，加入步骤(1)得到的铂胶体悬浮液，在n2气流下，将悬浮液鼓泡搅拌6h，将混合物过滤，并用去离子水和乙醇多次洗涤，干燥如在80℃下干燥12h，然后在n2气氛中从室温以2℃/min的升温速率升至500℃并保持1h，制得pt/a-co/tio2催化剂；pt的用量使得pt占催化剂整体质量的0.1-0.5wt％。

8、催化剂性能评价：

9、选择vocs(包括但不限于戊烷、庚烷、辛烷、乙醇、己醛、乙酸乙酯或/和甲苯)分别作为探针分子进行相关催化剂性能评价，配气的组成为300ppm vocs+20vol％o2+n2(平衡气)，其空速为20,000ml/(g h)。在pt/a-co/tio2催化剂上，光热催化(其中光对应的是200mw cm-2全太阳光谱光照)庚烷转化率达到50％和90％时所需反应温度(t50％和t90％)分别为106和128℃，低于同测试气氛下的热催化性能(169和185℃)。pt/a-co/tio2催化剂具有优异的催化活性，在140℃和200mw cm-2全太阳光谱光照下，pt/a-co/tio2催化庚烷转化速率分别是pt/tio2和pt/a-co的8.7倍和61.8倍。pt/a-co/tio2催化庚烷的光热催化转化速率分别是其光催化(条件是30℃、200mw cm-2全太阳光谱光照下)和热催化(140℃、黑暗)的14.0和11.7倍。pt/a-co/tio2催化剂在40h(水)热稳定性测试后保持高效光热催化活性。

10、使用x射线衍射(xrd)、高分辨率高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(haadf-stem)和能量色散x射线光谱(edx)技术对催化剂的晶体结构和表面形貌进行了详细表征。利用同步加速器x射线吸收近边结构(xanes)和扩展x射线吸收精细结构(exafs)分析了样品中c、pt、o和ti的化学状态和配位环境。利用岛津gc-2014c气相色谱(gc)对催化剂在光热催化消除餐饮油烟中挥发性有机化合物(vocs)的性能进行了评价。

11、本发明涉及一种催化剂的制备方法及应用。该方法工艺简便，通过精确调控tio2表面的非晶含氧碳层(a-co)的结构和厚度，构建双优势界面结构，实现对典型vocs的高效光热协同消除。pt/a-co/tio2催化剂的创新设计策略和对多种类vocs净化均表现出普适性。针对vocs净化过程中普遍存在的高能耗问题，本发明采用了光热协同催化净化策略。该策略通过有效利用太阳能，显著降低了vocs净化过程中的能耗，同时减少了对化石燃料的依赖，有助于减少污染物排放。