Cu/TiO2/改性凹凸棒石复合光催化剂的制备及其光催化性能研究

摘要

挥发性有机物(VOCs)是一种重要的大气污染物，主要产生于燃料燃烧、交通运输和装修装饰材料等方面，对人类赖以生存的自然环境造成了危害，并严重威胁着人体的健康。丙酮(C3H6O)和甲醛(CH2O)是两种典型的小分子挥发性有机污染物，广泛产生于工业生产过程及装饰材料中。近几十年来，在空气污染治理领域，半导体光催化技术得到了广泛的研究。其中TiO2光催化剂以其物理化学性能稳定、氧化能力强和无二次污染等优点，得到了广泛的关注，具有良好的应用前景。如何进一步提高TiO2光催化剂的性能，同时降低其应用成本，成为越来越多学者研究的重点。
　　 本研究以价廉易得的凹凸棒石粘土为原料，采用简单的方法合成了Cu/TiO2/有机改性凹凸棒石(CTOA)复合光催化剂。采用XRD、FT-IR、TEM、SEM和BET等多种表征手段对所得样品进行测定分析。XRD和SEM分析结果表明，改性前后凹凸棒石的结构没有发生明显变化，但纤维状结构明显增加，有利于Cu/TiO2与改性凹凸棒石的均匀复合。FT-IR分析表明，有机改性凹凸棒石的表面出现了新的吸收峰。由XRD分析结果和TEM图中的晶格条纹可知，在CTOA复合光催化剂中含有锐钛矿相TiO2和CuO。孔径分布曲线表明，CTOA复合光催化剂中存在微孔和介孔两种孔结构。
　　 通过CTOA复合光催化剂在紫外光照射条件下对空气中丙酮和甲醛的降解效果，对该催化剂的催化活性进行了评价，结果显示，所制得催化剂性能稳定，能高效降解空气中的丙酮和甲醛，具有良好的应用前景。在最优条件下制备的复合光催化剂，反应6h后对丙酮的降解率能够达到90.32％，反应2h后甲醛的降解率达到90％，相比商用TiO2具有更好的催化活性。本研究对CTOA复合光催化剂降解丙酮和甲醛的过程和机理进行了简单探讨。利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对凹凸棒石进行表面改性，能够大大改善样品表面的疏水性，同时能够促使复合光催化剂中微孔-介孔复合孔结构的形成，有利于样品对目标污染物的降解。掺杂的Cu能够有效抑制光生电子的复合速率，从而大大提高光催化降解的效率。