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近年来,我国夏季光化学烟雾事件频发,大气中的臭氧污染形势日益严峻。由于空气交换作用,室外臭氧浓度升高会增加室内臭氧浓度。采用臭氧氧化技术的空气净化器、放电除尘的新风设备和紫外线辐射的打印设备也是室内臭氧的重要来源。高浓度的臭氧会引起心血管和呼吸系统障碍,严重危害人体健康;臭氧还会减缓植物生长,造成各种农作物减产。由于臭氧的强氧化能力,即使低浓度的臭氧也会与空气中的有机物发生化学反应,产生对人体有更大危害的物质。因此,消除臭氧对于保护人体健康和生态环境具有重要的意义。催化分解是一种安全,经济,高效的臭氧净化方法,其中锰氧化物催化剂由于相对低廉的价格和优异的性能受到了研究者的广泛关注。γ-MnO2是一种具有1 × 1和1 ×2型的一维孔道结构的二氧化锰,被广泛应用于甲醛、甲苯和NOx的催化分解研究。γ-MnO2在干燥条件下可以有效分解臭氧,但是在水蒸气存在下活性受到明显抑制。本文主要针对γ-MnO2催化剂进行改性研究,通过在水热合成过程中原位掺杂过渡金属(Ce和Co)制备了改性的γ-MnO2催化剂,并进一步通过改变催化剂的后处理过程(水洗过程)获得了水洗到不同程度的催化剂。通过优化掺杂比例发现Ce/Mn为1/8的Ce-γ-MnO2催化剂活性最为优异,在室温,65%的相对湿度和840 L/(g·h)的空速下,其6 h后臭氧分解效率有96%,明显优于γ-MnO2(38%);在掺杂相同比例(1/8)的不同过渡金属(Ce,Co)的M-γ-MnO2催化剂中,Ce-γ-MnO2(96%)催化剂性能优于Co-γ-MnO2(55%)和γ-MnO2(38%)。由于Ce的掺杂导致Ce-γ-Mn02催化剂在水热过程中形成了 α-MnO2和γ-MnO2的混晶,同时伴随着比表面积的增加(74 m2/g→120 m2/g),形成了更多的表面缺陷和氧空位,可以提供更多的活性位点,对臭氧的吸附分解更有利。进一步研究发现Ce-γ-MnO2催化剂在干湿气流中存在不同的失活机理,湿气流中的失活是由于水分子和臭氧分子的竞争吸附,干气流中的失活是由于氧空位的毒化。在水洗到不同程度的催化剂中,pH=7催化剂有更好的抗水性和更优异的抗高空速能力。在催化剂表面残留的酸根离子会吸附水分子,从而使其他水洗不彻底的催化剂在潮湿气氛下活性下降;同时残留的酸根离子会吸附在氧空位上,降低氧空位的含量,从而使催化剂在干燥气氛,更高的空速下活性下降;动力学实验表明pH=7催化剂有最低的表观活化能,臭氧分子在pH=7催化剂表面更容易活化;还通过DFT计算揭示了关于催化剂上存在不同种类氧空位的失活机理。在室温,840 L/(g·h)的空速下,水洗到pH=7的Ce-γ-MnO2催化剂在65%的相对湿度和干燥气氛下96 h后的臭氧分解活性分别有60%和100%,说明该催化剂具有很好的实际应用前景。