TiO2基光催化劑的制備、結(jié)構(gòu)及光催化降解VOCs性能與機(jī)理研究.pdf

1、本論文的主要工作為T(mén)i02及過(guò)渡金屬摻雜Ti02氣相光催化降解揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)的活性及其機(jī)理研究。論文分為四個(gè)部分（四章）：第一部分是文獻(xiàn)綜述：第二部分是Ti02光催化降解氣相甲醛的原位漫反射傅里葉變換紅外光譜(in-situ DRIFTS)研究；第三部分是M-Ti02(M=Fe，Co，Ag，Cu)催化劑的制備及可見(jiàn)光催化降解氣相甲苯、鄰-二甲苯反應(yīng)性能及動(dòng)力學(xué)研究；第四部分是Fe-Ti02光催化劑的結(jié)構(gòu)、性能及催化劑穩(wěn)定性

2、和失活-再生機(jī)理研究。
　　 第一章是背景知識(shí)介紹和國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作最新研究進(jìn)展的文獻(xiàn)綜述。首先，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)性質(zhì)、種類(lèi)、來(lái)源及危害進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)目前常見(jiàn)的VOCs污染控制和處理方法進(jìn)行了總結(jié)：其次，從光催化機(jī)理、Ti02基光催化劑兩方面對(duì)新興的光催化降解VOCs技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了概括，并對(duì)光催化降解VOCs過(guò)程中的影響因素和存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析；再次，綜述了光催化降解VOCs的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與機(jī)理研究的最新

3、進(jìn)展，并詳細(xì)地介紹了in-situDRIFTS技術(shù)在該方面的應(yīng)用；最后，說(shuō)明了本論文的主要研究?jī)?nèi)容及意義。
　　 第二章是Ti02光催化降解氣相甲醛的in-situ DRIFTS研究。搭建了氣相光催化的in-situ DRIFTS裝置，并首次利用in-situ DRIFTS手段對(duì)氣相甲醛在Ti02(Degussa，P25)表面的吸附和光催化降解進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)in-situ DRIFTS譜圖和氣相色譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，單純T

4、i02是光催化降解氣相甲醛的有效光催化劑；甲醛主要通過(guò)氫鍵的方式吸附在Ti02表面的羥基活性位上；甲酸鹽是甲醛光催化降解過(guò)程中最重要的中間產(chǎn)物：在干燥的條件下，02-·是進(jìn)攻催化劑表面吸附的甲醛分子的主要自由基；增加反應(yīng)濕度能夠提高Ti02表面的羥基群數(shù)量，提供豐富的OH·，0H·成為進(jìn)攻Ti02表面甲醛分子的主要自由基。由于OH·具有較高的氧化還原電位(2.8 v)，它的形成能夠促進(jìn)中間產(chǎn)物甲酸鹽的形成，并提高整個(gè)光催化反應(yīng)的速率。<

5、br>　　 第三章是M-Ti02(M=Fe，Co，Ag，Cu)催化劑的制備及可見(jiàn)光催化降解氣相甲苯、鄰-二甲苯反應(yīng)性能及動(dòng)力學(xué)研究。使用鈦酸四丁酯為前驅(qū)體，采用溶膠凝膠法制備了Ti02和摻雜濃度分別為0.2％、0‘.5％和1.O％的M-Ti02(M=Fe，Co，Ag，Cu)光催化劑，并利用XRD、UV-vis DRS、BET等測(cè)試技術(shù)對(duì)該系列催化劑進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)M-Ti02經(jīng)480℃退火3h后均為銳鈦礦相結(jié)構(gòu)。與Ti02相比，M-T

6、i02具有更寬的可見(jiàn)光響應(yīng)范圍，更高的比表面積和孔容。利用自行搭建的氣相光催化降解VOCs活性評(píng)價(jià)裝置對(duì)M-Ti02可見(jiàn)光催化降解甲苯、鄰.二甲苯的活性進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)摻雜后的Ti02降解甲苯、鄰-二甲苯的活性明顯提高，其中Fe-Ti02具有最高活性。濕度的增加能明顯提高催化劑的活性。動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果顯示不同濕度(R.H.25％，R.H.60％)條件下M-Ti02光催化降解甲苯、鄰-二甲苯的反應(yīng)過(guò)程符合Langmuir-Hinshelwoo

7、d動(dòng)力學(xué)模型一級(jí)反應(yīng)特征，其表觀速率常數(shù)也相應(yīng)計(jì)算得出。此外，利用in-situ DRIFTS研究分析了氣相甲苯和鄰，二甲苯光催化降解的主要反應(yīng)路徑。
　　 第四章是Fe-Ti02光催化劑的結(jié)構(gòu)、性能及催化劑穩(wěn)定性和失活-再生機(jī)理研究。Fe的摻雜顯著提高了Ti02比表面積和孔容。Fe-Ti02孔徑集中分布在3-5 nm范圍內(nèi)，為介孔結(jié)構(gòu)。在低摻雜濃度范圍內(nèi)(=0.7％)，F(xiàn)e3+基本取代Ti4+進(jìn)入了Ti02晶格。當(dāng)摻雜濃度>1

8、.0％時(shí)，F(xiàn)e原子開(kāi)始發(fā)生聚集。熒光光譜表征結(jié)果顯示Fe的摻雜提高了電子-空穴分離效率，其中0.7％摻雜濃度的Fe-Ti02具有最高的電子-空穴對(duì)分離效率。這是由于進(jìn)入Ti02晶格的Fe3+能作為電子俘獲中心俘獲光生電子，從而促進(jìn)了電子-空穴對(duì)的有效分離。Fe-Ti02系列催化劑可見(jiàn)光催化降解氣相甲苯的活性順序?yàn)椋?.7％ Fe-Ti02(96.5％)>1.0％ Fe-Ti02(88.6％)>0.5％Fe-Ti02(86.7％)>1.5

9、％ Fe-Ti02(75.4％)>0.3％ Fe-Ti02(69.9％)>0.1％Fe-Ti02(40.0％)>TiOz(14.9％)。催化劑穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)e-Ti02催化劑具有較好的穩(wěn)定性，在連續(xù)進(jìn)行20次的降解實(shí)驗(yàn)后甲苯降解率由96.5％下降到70.3％，出現(xiàn)一定程度的失活。利用in-situ DRIFTS發(fā)現(xiàn)，造成失活的原因是由于甲苯降解過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物苯甲酸和苯甲醛占據(jù)了活性吸附位。失活的Fe-Ti02于380℃下熱