TiO2基光催化材料净化室内空气中苯和甲苯的性能

摘要

室内空气中挥发性有机物(VOCs)污染日益受到公众关注。TiO2光催化是常用的室内VOCs净化技术之一，由于TiO2光生电子和空穴复合几率较大，且光催化过程易受室内高湿度环境影响，导致室内VOCs光催化效率不高，制约其大规模推广应用。为此，本文通过TiO2晶体结构优化、表面修饰等方式，降低光生电子和空穴复合几率，设计并合成高活性的TiO2催化材料;探讨利用疏水性碳纳米管(CNTs)负载，增强TiO2抗湿能力;开发玻璃纤维负载TiO2的室内VOCs净化功能组件，试图解决粉体催化材料难以直接实际应用的问题。论文取得以下主要结论:
　　(1)研发了以钛酸纳米管为前驱体的锐钛矿/板钛矿/金红石混晶纳米TiO2。发现三相混晶的异质结结构能促进光生电子的相转移，降低光生电子和空穴复合几率。当三相比例接近1∶1∶1时，TiO2混晶的光催化活性最高，对气相甲苯和苯(浓度均为1ppm)去除率分别为91.6％和80.1％，是P25的2.1和2.0倍。
　　(2)研发了以氢氟酸为助剂的高活性(001)面暴露锐钛矿TiO2。随着氢氟酸用量增大，(001)面暴露比例由＜6％持续增加至85％。比较碱洗和煅烧等去氟处理对(001)面暴露锐钛矿TiO2结构和性能的影响，探明了其光催化活性由表面修饰氟和(001)面暴露共同决定，对气相苯和甲苯的最大去除率分别为84.8％和93.5％。
　　(3)发现CNTs负载TiO2能在高湿度条件下降低水分子和苯的竞争吸附，进而提高苯的吸附量及光催化效率。80％湿度时，由三相混晶和(001)面暴露锐钛矿TiO2负载所得CNTs/TiO2对苯的吸附量分别是相应TiO2的6.7和3.7倍，去除率分别为60.7％和72.7％，是相应TiO2的2.1和1.6倍。
　　(4)开发了一种玻璃纤维负载TiO2粉体的室内VOCs光催化净化组件，避免了实际应用中粉体催化材料易团聚且无法适应中高风量处理条件的问题;以其为核心的空气净化器样机对室内空气中苯系物和甲醛净化效率分别大于96％和90％。

目录

论文说明

声明

致谢

摘要

1 TiO2基光催化材料净化室内空气研究进展

1．1 室内空气VOCs污染现状及健康风险

1．1．1 室内空气VOCs污染现状

1．1．2 室内空气VOCs健康风险

1．2 室内空气VOCs净化技术

1．2．1 吸附法

1．2．2 负离子法

1．2．3 低温等离子体法

1．2．4 光催化法

1．3 TiO2光催化材料的制备方法

1．3．1 溶胶-凝胶法

1．3．2 水热法

1．3．3 其他液相制备方法

1．4 TiO2光催化净化室内VOCs的性能及机理

1．4．1 TiO2光催化净化室内VOCs的基本原理

1．4．2 催化剂结构性质对其活性的影响

1．4．3 VOCs结构性质对催化剂活性的影响

1．4．4 环境条件对催化剂活性的影响

1．4．5 净化条件对催化剂活性的影响

1．5 TiO2光催化材料的改性方法

1．5．1 金属阳离子改性

1．5．2 非金属阴离子改性

1．5．3 半导体复合

1．6 室内空气光催化净化组件开发与应用

1．6．1 催化剂的固化方法

1．6．2 光催化组件的应用

1．7 论文的研究目标和基本思路

2 钛酸纳米管制备的三相混晶TiO2及其催化气相苯和甲苯性能

2．1 实验部分

2．1．1 前驱体钛酸纳米管制备

2．1．2 催化剂制备

2．1．3 催化剂表征

2．1．4 催化剂性能评价

2．1．5 光催化产物测定

2．1．6 羟基自由基测定

2．2 实验结果

2．2．1 前驱体钛酸纳米管的一维结构

2．2．2 酸对催化剂结构的影响

2．2．3 催化剂的光催化活性

2．2．4 催化剂的活性稳定性

2．3 机理讨论

2．3．1 晶体生长机理

2．3．2 催化活性机理

2．4 小结

3 (001)面暴露锐钛矿TiO2及其催化气相苯和甲苯性能

3．1 实验部分

3．1．1 催化剂制备

3．1．2 催化剂去氟处理

3．1．3 催化剂表征

3．1．4 催化剂性能评价

3．1．5 污染物矿化率测定

3．1．6 羟基自由基测定

3．2 实验结果

3．2．1 催化莉的结构特征

3．2．2 去氟处理对催化剂结构的影响

3．2．3 催化剂的光催化活性

3．2．4 催化剂的活性稳定性

3．3 催化活性机理讨论

3．4 小结

4 碳纳米管／TiO2复合催化材料及其抗湿性能

4．1 实验部分

4．1．1 催化剂制备

4．1．2 催化剂表征

4．1．3 催化剂性能评价

4．1．4 苯饱和吸附量测定

4．1．5 羟基自由基测定

4．2 实验结果

4．2．1 复合催化剂的结构特征

4．2．2 复合催化剂的吸附性能

4．2．3 复合催化剂的抗湿性能

4．3 抗湿性能机理讨论

4．4 小结

5 玻璃纤维基光催化滤网功能组件及应用初探

5．1 实验部分

5．1．1 光催化淀网性能评价

5．1．2 环境模拟舱净化效果测试

5．2 实验结果

5．2．1 光催化滤网的工艺优化

5．2．2 光催化滤网对室内空气中苯系物和甲醛的净化效果

5．3 小结

6 研究小结、创新点及展望

6．1 研究小结

6．1．1 钛酸纳米管制备的三相混晶TiO2

6．1．2 表面氟修饰的(001)面暴露锐钛矿TiO2

6．1．3 碳纳米警／TiO2复合催化剂

6．1．4 玻璃纤维基光催化净化组件

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士期间完成的论文和专利