CO催化氧化反应是一种常见的模型反应,在机动车尾气处理、Pt燃料电池保护、环境污染物消除及纳米催化剂活性评价等领域存在潜在的应用价值,引起研究者的广泛关注。CO氧化反应中氧的活化物种及其进入CO₂途径的有效调控是设计高效催化体系的关键。目前根据氧的活化模式,CO催化氧化反应主要分为两类催化体系。第一类是基于贵金属的催化体系,其产物中引入的氧原子来源于氧气,氧气的活化是反应的核心步骤。对于贵金属/还原性氧化物催化体系,目前普遍认为金属和氧化物的界面在氧气活化中扮演非常重要的角色。贵金属催化体系具有反应活性高,起始温度低等优点,但是其稀缺性和昂贵的价格限制其使用。第二类是过渡金属氧化物催化体系,其产物中进入的氧原子一部分来源于氧化物中的晶格氧,另一部分来源于氧气。晶格氧的活化是此类反应的限速步骤。此类催化体系的优势是价格低廉,储量丰富,但是金属-氧键的键能较大,需要大量的能量断裂金属-氧键,因此反应通常需要在较高温度下实施。目前,CO氧化反应中,人们的主要精力集中于氧气及晶格氧的分别活化。事实上,氧气活化及晶格氧活化在CO氧化反应中同等重要并且相互影响。低温下,表面吸附的活性氧物种很难转变为晶格氧物种,导致氧气和晶格氧的活化难以同时实现。因此,低温下同时实现晶格氧和氧气的活化仍然是一个挑战。近年来,可再生能源例如电能、太阳能等引起人们的广泛关注。机械能也是一种可再生的能源,来源广泛例如风能,水能等。然而,目前利用机械能催化转化化学反应的例子仍然比较缺乏。摩擦纳米发电机（TENG）是利用机械能的一种方式,其输出电压可以高达几千伏特,可以通过电离氧气、氮气等多种气体产生微等离子体。微等离子体中含有大量的活性离子,同时高能的活性离子也可能与氧化物表面相互作用。因此,TENG产生的微等离子体有望在廉价的氧化物上实现同时活化晶格氧和氧气,这为利用机械能来驱动催化化学反应提供了新途径。在本文中,我们将TENG产生的微等离子体与过渡金属氧化物相结合,构建了新型的催化体系,在室温下实现了CO催化氧化反应。本论文的研究内容主要包括以下两个部分:1、TENG驱动的微等离子体催化体系的构建及其在CO氧化反应的研究:我们将TENG驱动产生的微等离子体与过渡金属氧化物相结合,构建了新型的催化体系。TENG的输出电压高达2.5 k V,能够发生气体放电产生微等离子体。微等离子体催化体系中的电学输出曲线随着距离、转速、放电模式发生变化。过渡金属氧化物在微等离子体催化体系中普遍具有促进CO氧化生成CO₂的能力,其中TENG产生的微等离子体中伴随着的光和热在CO催化反应中扮演着微弱的贡献。条件优化实验表明,在放电距离为0.15mm、放电模式为交流、TENG转速为400 rpm时,MnO₂催化剂获得最优的催化活性。循环实验表明催化剂在微等离子体催化体系中活性和初始速率保持稳定。同时也对微等离子体作用前后的MnO₂催化剂进行形貌结构表征,反应前后没有明显变化,说明微等离子体对MnO₂催化剂形貌和晶体结构没有影响。2、TENG驱动的微等离子体催化CO氧化反应的机理研究:在前面的基础上,我们详细的进行了机理研究。主要研究了CO氧化反应中氧的活化物种及其进入CO₂途径,利用¹³CO和18O2做同位素追踪实验,结果表明CO氧化反应中产物CO₂中¹³C¹⁶O¹⁸O的氧原子来源于氧气,¹³C16O2的氧原子来源于氧化物的晶格氧。XPS和EPR实验表明微等离子体能够活化MnO₂催化剂表面的晶格氧,活化的晶格氧参与到CO氧化反应中。CO/He无氧气氛下CO的催化氧化活性检测说明MnO₂催化剂表面的晶格氧被活化并参与到CO的反应中。NBT溶液显色实验表明微等离子体能够活化氧气,产生大量的O2-自由基。在微等离子体催化体系中,微等离子体能够同时实现氧气和氧化物晶格氧的活化。这也是室温下过渡金属氧化物获得高活性的根本原因。并对CO催化氧化反应的机制进行了讨论,发现反应遵循改进的Mv K机理,O₂^-活性离子填补MnO₂催化剂的氧空位。本文中,构建了一种TENG驱动的微等离子体和廉价的过渡金属氧化物结合的催化体系,其中微等离子体通过机械能方式驱动,达到了同时活化催化剂表面晶格氧和氧气的目的,在常温常压下实现CO的高效催化转化。微等离子体-过渡金属氧化物催化体系具有价格低廉、能耗低的优势,具有广阔的应用前景。本论文不仅提供一种实现低温CO氧化反应的方法,同时,该催化体系也为利用机械能驱动催化反应开辟了新途径。