催化燃烧的机理、原理是什么？催化燃烧机理的三种模型

催化燃烧反应过程中,VOCs气体经过扩散被催化剂吸附,发生的氧化反应,最终生成CO2与H2O。目前,对催化燃烧法机理研究主要分为Marse-vanKrevelen(MVK)、Langmuir-Hinshelwood(L-H)和Eley-Rideal(E-R)三种模型

模型1：Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型

L-H理论是基于吸附和脱附原理，是一种以表面反应为控制步骤，以两个吸附着的分子进行表面反应的多相催化机理，反应如式(2)所示。发生反应的物质被吸附于固体催化剂上，在表面上反应，生成产物发生脱附。

M-H 模型假设了在反应过程中催化剂表面的原子力场没有饱和，存在的剩余价力使固体具备吸附能力；在催化剂表面被吸附的分子发生反应后，在其热运动足以克服吸附剂引力场的能垒时， 重新回到气相， 其中吸附与脱附的反应速率在整个反 应过程中可以达到一个动态平衡。 以 LaMnO3 催化剂催化燃烧净化甲苯为例[12] ， 其氧化过程是以L-H机理为主，具体路径 如图 1所示，VOCs(甲苯)吸附于LaMnO3 催化剂的活性位上，同时相体内气相氧解离生成的晶格氧物种转移至催化剂表面， 迁移到表面的晶格氧物种将甲苯氧化为 CO2 与 H2O,氧化产物最后从催化剂表面脱附，重新回到气相。

模型2：Eley-Rideal(E-R)模型

E-R 机理不同于L-H机理的是其反应过程中仅单原子态参与，如式(3)所示， 气态物质A与气态物质B发生反应，用固态物质S作为催化剂，反应过程中A物质先被吸附在S物质上，然后形成一种类似配合物的结构，然后物质B在和这种中间体反应，从而得到产物。 在VOCs中, E-R 模型图如图2所示,吸附态的氧物种与气相中的VOCs在催化剂表面发生了反应,反应的控制步骤为VOCs与吸附态氧物种之间的反应, 因此其动力学模型为：

其中,rVOC为反应速率(mol / L·s);KO2为氧气的吸附平衡常数;KVOC为 VOCs 的吸附平衡常数;PO2和PVOC分别为反应体系O2和VOC的分压，Pa

模型3：Marse-van Krevelen(MVK)模型

目前在催化氧化领域中,普遍采用的是MVK机理来描述VOCs的催化氧化过程， MVK机理又叫做氧化还原机理，其主要内容为与VOC 反应是与催化剂中晶格氧而非气相中氧气。这种机理主要分为两步:(1)扩散进入并被吸附在催化剂表面的VOCs与催化剂表面的晶格氧结合被氧化为CO2和H2O,同时催化剂表面产生氧空穴而被还原；(2)催化剂被解离吸附后的氧填补氧空位而被氧化。

MVK反应机理以反应物分子和催化剂富氧部分发生反应时可以被交替地还原和氧化为前提，其中催化剂中的氧可以是化 学吸附氧或晶格氧。以 Cr/ ZSM-5 分子筛膜催化剂催化燃烧三氯乙烯为例，具体路径如图3所示，第一步三氯乙烯(TCE)被吸附在Cr/ZSM-5 分子筛膜催化剂催化剂上，然后TEC进行 脱氢氧化形成活性中间体， Cat(Cr/ ZSM-5 分子筛催化剂)上活 性氧被消耗形成氧空穴，TEC 生成的活性中间体被进一步氧化为CO2和H2O,催化剂的活性位被还原形成还原态活性位。第二步是空气的氧气被催化剂吸附后填补其表面的氧空位，形成一个活性氧消耗和生成的循环。

结论：

无论是LH、ER还是MVK模型，其反应基本过程可以归结为气相中VOCs经过内外扩散作用进入催化剂表面，其中，吸附在催化剂表面的VOCs分子(原子)经过一步或两步反应，被气相中同样吸附于催化剂表面的氧气或催化剂中的晶格氧最终氧化成为CO2和H2O,之后生成的CO2和H2O 从催化剂表面脱附，通过扩散作用重新返回气相中，而气相中持续不断通入的O2填补催化剂表面上的氧空位或吸附态的活性氧物种，最终实现了一个完整的吸附、去氧、解吸、补氧和再生的氧化还原反应