靜電紡絲-熱處理兩步法制備含錳氧化物催化劑的中空活性炭納米纖維

DOI:10.1016/j.cej.2019.122315

近年來，一直在尋求對揮發性有機化合物有效的吸附劑的開發，并且已經發現各種多孔材料是有希望的候選物。但是，大多數多孔吸附劑都有局限性：高溫下去除效率降低。在這項研究中，作者通過電紡雙層聚甲基丙烯酸甲酯/乙酸錳（核），聚丙烯腈（殼）基納米纖維（NFs）進行碳鍵化和CO₂活化，以生產嵌入空心活性炭NFs（Mn₃O₄ / HACNFs）中的Mn₃O₄納米顆粒。由于其中空結構，Mn₃O₄ / HACNFs具有很好的吸附甲苯的能力，與常規活性炭NFs相比，甲苯吸附的穿透時間更長。在280°C下，Mn₃O₄ / HACNFs可以實現甲苯的催化氧化（轉化為CO₂ = 99％±0.5）。此外，當在交替溫度條件下（260和280°C）測試4 h時，Mn₃O₄ / HACNFs的催化活性沒有降低。

圖1.同軸電紡原理圖。

圖2.后熱處理過程示意圖。

圖3. VOC去除測試的示意圖。

圖4.電紡納米纖維的FESEM和TEM圖像：內部和外部均使用PAN溶液（a，在熱處理之前； b，在熱處理之后）；外部為PAN溶液，內部為PMMA溶液（c，在熱處理之前； d，在熱處理之后）。

圖5.（a，b）電紡納米纖維的FESEM和TEM圖像：外側為PAN溶液，內側為MnAc / PMMA溶液（a，熱處理前; b，熱處理后;（c）HRTEM圖像和分別在納米纖維的核心部分拍攝的Mn₃O₄顆粒的SAED模式（插圖）;（d）Mn₃O₄ / ACNFs-1的TEM圖像和SAED模式（插圖）;（e）TEM圖像和SAED模式（插圖） Mn₃O₄ / ACNFs-2；（f）ACNFs，HACNFs，Mn₃O₄ / ACNFs-1，Mn₃O₄ / ACNFs-2和Mn₃O₄ / HACNFs的XRD圖。

圖6. Mn₃O₄ / HACNFs的順序制造步驟示意圖。

圖7. ACNFs，HACNFs和Mn₃O₄ / HACNFs的TGA結果。

圖8.（a）ACNFs，HACNFs和Mn₃O₄ / HACNFs的寬掃描XPS光譜（從底部到頂部）； （b）MnO_x / HACNFs的Mn 2p光譜，（c）C 1s光譜和（d）O 1s光譜；（e）Mn₃O₄ / HACNFs在不同蝕刻時間下的XPS光譜；（f）Mn₃O₄ / HACNFs中錳的原子含量與蝕刻深度的關系。

圖9.（a）ACNFs，HACNFs，Mn₃O₄ / HACNFs，Mn₃O₄ / ACNFs-1，Mn₃O₄ / ACNFs-2以及市售ACFs的N₂吸附/解吸等溫曲線和（b）PSDs。

圖10.（a）在20 ℃下獲得的ACNFs，HACNFs，Mn₃O₄ / HACNFs和市售ACFs的甲苯（10 ppm）穿透曲線。（b）不同溫度下突破時間的比較。

圖11. Mn₃O₄ / HACNFs吸附甲苯的可重復使用性測試。

圖12.空氣注入的ACNFs，HACNFs和Mn₃O₄ / HACNFs的TGA結果。

圖13. 在甲苯濃度= 125 ppmv和GHSV = 7500、11250和15000 h^-1的條件下，甲苯在（a）Mn₃O₄ / HACNFs，HACNFs，ACNFs和僅甲苯，（b）Mn₃O₄ / HACNFs，Mn₃O₄ / ACNFs-1和Mn₃O₄ / ACNFs-2中轉化為CO₂與反應溫度的關系。

圖14.Mn₃O₄ / HACNFs對甲苯全部氧化的可重復使用性測試。（a）在交替溫度條件下（GHSV = 12500 h^-1），隨著Mn₃O₄ / HACNFs的運行時間，再利用循環和（b）向CO₂轉化的演變。