恭喜南开大学用YMn2O5实现了无能耗的超低温臭氧分解
作者：万翔，王丽静，张申，石浩哲，牛俊涛，王根，李卫方，陈达，张海军，周晓萌，王伟超*
摘要:首次在三元氧化催化剂YMn2O5上实现了无能耗的超低温臭氧分解。在−40℃的低温条件下，YMn2O5氧化物催化臭氧分解的转化率为29%(反应速率为1534.2 μmol g−1 h−1)，升温至−5℃时，转化率迅速达到100% (5459.5 μmol g−1 h−1)。
该催化剂的低温性能优于已有报道的臭氧分解催化剂。结构表征和元素价态表征证实，室温反应100 h后，YMn2O5仍保持不变，表明该催化剂具有良好的耐久性。O2-TPD (o2 -temperature-程控解吸)结果表明，活性位点是表面与单配位氧结合的Mn3+位点。结合原位拉曼测量和密度泛函理论计算，我们发现臭氧在YMn2O5上的分解反应的势垒仅为0.29 eV，遵循Eley - Rideal (E - R)机制，中间O2 -解吸速率为限制步长。低阻隔更大限度地减少了中间产物的积累，即使在超低温下也能实现O3的快速分解。从根本上说，低对称性三元氧化物中适度的Mn−O键强度对于在表面产生单配位的活性物质至关重要，这些活性物质负责低温下有效的臭氧降解。
关键词:臭氧分解、氧化莫来石、零能耗、超低温活性、密度泛函理论、单配位氧
催化活性测定
采用连续流固定床石英微反应器(直径= 4 mm)对样品的臭氧分解活性进行了评价。将0.1 g催化剂装入微反应器，反应气流量为1000 mL/min (WHSV = 600,000 mL g−1 h−1)。使用氮气水浴起泡器来增加气体的相对湿度。气体管路上装有湿度探测器，以显示气体的相对湿度。RH通过改变N2流量来调节。反应温度由放置反应器的变温装置控制。每次实验开始前，反应器在该温度下稳定至少10分钟。考虑到传质对催化性能的影响，催化剂颗粒筛选范围为40 ~ 60目(250 ~ 355 μm, ISO565-1983)。催化剂床至少填充5cm，以消除内部和外部扩散影响(关于质量或传热、压降和能耗影响的更多详细信息可在配套信息中找到)。采用紫外灯(UV-M4, 北京同林)在气流中生成臭氧，入口臭氧浓度保持在120±1 ppm。采用臭氧监测仪(3S-J5000，北京同林)检测进、出口臭氧浓度。臭氧转化率由下式计算
式中，Cin和Cout分别为进口和出口臭氧浓度。为了进一步表征反应的活性，将反应速率(r)和比反应速率(rs)用催化剂重量和催化剂的比表面积(SSA)归一化如下
式中，X为臭氧去除率，F (mol s−1)为气体摩尔流量，m (g)为催化剂质量，s (m2 g−1)为催化剂的SSA。为了排除质量和传热效应，得到动力学体系下的微分反应速率，将催化剂的质量降低到每个温度下臭氧转化率低于15%进行计算。
此次催化剂实验，使用的是
同林UV-M4臭氧发生器和
3S-J5000臭氧检测仪。
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