光电协同催化降解气相中甲苯的研究

摘要

随着甲苯在涂料工业中作为溶剂的广泛应用，甲苯成为了室内空气的主要污染物，给人体和环境造成了极大的危害。另外，TiO2光催化氧化技术是一种能把有机污染物彻底降解的空内空气污染控制技术，但目前以TiO2半导体为基础的光催化技术还存在关键问题之一是光生高能空穴易于和电子复合而失去活性，因此提高光生载流子的分离效率对促进半导体光催化降解有机污染物是至关重要的。本课题针对上述问题，选用了甲苯作为室内空气污染物的代表，采用光电协同催化技术来解决光催化的光生高能空穴和电子容易复合问题。 本文研究了气相光电催化的影响因素，分析了甲苯的降解产物，初步提出了甲苯的降解历程。论文分为四部分： 第一部分制备了TiO2/泡沫镍光电极，并对其光催化活性进行了表征，另外，进行了甲苯气体在光电催化反应器的稳定性研究。结果表明：TiO2/泡沫镍光阳极具有良好的光催化活性和导电性能；甲苯气体在反应器中的吸附平衡时间为80min；甲苯气体在反应器中静置160min后的浓度依然保持在它的初始浓度。 第二部分对比了光电催化与光催化、电催化的降解效果。结果表明：在同一条件下，光电协同催化的降解率为79.51％，而光催化和电催化分别只有44.25％和25.80％；另外，光电催化的降解速率常数为0.01949 min-1，大于光催化和电催化的简单加和（0.01060 min-1）。说明光电催化具有良好的协同效应。 第三部分考察了初始浓度、负载P25厚度、不同电极基体、光电极的使用寿命、外加电压、空气相对湿度等对光电催化降解效率的影响。结果表明：当初始浓度小于476.25mg/m3时，初始浓度对光电协同催化的降解速率会随初始浓度的增大而加快，而增大初始浓度476.25mg/m3的6倍时却会使气相光电催化的反应速率大大降低；当P25膜层数超过5时，其光催化活性不再增加；采用石墨片作为基质的降解效果只有30.21％，而泡沫镍基质和活性碳纤维基质的降解效果却有78％以上；光阳极重复使用40次，甲苯的降解率都在78％以上，并无出现催化剂中毒的现象；从外加电压1伏到3伏，降解率会随着外加电压的加大，在外加电压为3伏时，降解率达到了79.51％，而继续加大电压降解率反而降低了。随着反应器的相对湿度从27％增大到62％，甲苯的降解率也从71.13％增加到了79.51％，但这只是稍有提高。而当增大反应器的相对湿度到80％时，甲苯的降解率却降为70.28％。 第四部分检测分析了甲苯的降解产物，初步提出了甲苯在光电催化反应中的降解历程。结果表明：甲苯降解的气相产物除CO2和H2O外，没有其它气相产物；GC-MS检测失活的催化剂表面的产物有苯、甲苯、环己烷等物质，推断甲苯既被光生空穴还原，也被光生电子与空气反应产生的氢氧基自由基（OH·）氧化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

引言

1.1光电催化法的提出及相比光催化的优点

1.2光电催化的催化机理

1.3气相光电催化法的影响因素及其动力学

1.3.1光阳极的性能

1.3.2外加电压

1.3.3固体电解质

1.3.4有机物的初始浓度

1.3.5系统温度的影响

1.3.6水蒸汽浓度

1.4甲苯废气降解技术的研究现状

1.4.1生物降解法

1.4.2光催化氧化法

1.4.3低温等离子体降解法

1.4.4气体放电光催化法

1.4.5光电催化法

1.5气相光电催化的研究现状

1.6选题的目的、意义、研究内容和课题来源：

1.6.1目的和意义

1.6.2研究内容和课题来源

第二章研究方法

2.1试剂与仪器

2.2光电催化反应器

2.3实验方法

2.4分析测试方法

2.4.1催化剂和电极基体的表征方法

2.4.2甲苯浓度变化的检测方法

2.4.3降解产物的定性分析方法

第三章 光电协同催化效果以及它的影响因素

引言

3.1纳米TiO2光阳极的制备和表征

3.1.1光阳极基体的制备

3.1.2纳米TiO2光阳极的制备

3.1.3负载型纳米TiO2光阳极的表征

3.2光电催化降解效果评价方法

3.3结果与讨论

3.3.1甲苯气体的吸附平衡时间的确定

3.3.2甲苯气体的光解效果

3.3.3光电协同催化降解效果的研究

3.3.4初始浓度对光电协同催化的影响

3.5.5负载P25厚度的影响

3.3.6不同电极基体对降解效率的影响

3.3.7光阳极的使用寿命的影响

3.3.8外加电压对光电催化的影响

3.3.9反应器空气相对湿度对光电催化的影响

3.4本章小结

第四章降解产物分析和降解历程初探

引言

4.1实验部分

4.1.1主要仪器与试剂

4.1.2实验方法

4.2结果与讨论

4.2.1活性炭吸附—CS2解吸效率

4.2.2降解低浓度甲苯的产物分析

4.2.3降解高浓度甲苯的催化剂表面产物分析

4.2.4甲苯在光电催化法中的降解历程

4.3本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文以及专利

致谢