金属氧化物催化臭氧生成羟基自由基机理理论研究

摘要

金属氧化物能催化臭氧产生羟基自由基,羟基自由基对难降解有机物有很强的氧化能力,能氧化大部分的有机物。催化臭氧氧化的金属氧化物被认为是一种非常有前景的应用于水处理技术的氧化剂。近几十年来,许多金属氧化物如二氧化锰,二氧化钛,FeOOH和氧化铝,已被证明具有较高的氧化效率。然而到目前为止,在催化臭氧化过程中产生的羟基自由基的机制仍然十分模糊。其主要原因之一是在水溶液中催化过程的复杂性。第一,臭氧分子和水分子,在金属氧化物催化剂的反应活性中心相互竞争,臭氧分解的中间体和自由基的难以捕捉;第二,臭氧和有机分子在固-液界面的吸附在实验中难以检测。
　　研究表明有效的氧化过程,并不一定要求有机物质吸附在催化剂的表面上,事实上吸附在催化剂表面上的有机物反而抑制了催化效果。实验在废水中并没有检测到有机化合物吸附在金属氧化物催化剂上(二氧化钛,氧化铝,氧化锰),说明有机物与表面没有相互作用。因此,在一定反应条件下。有机物不会吸附在催化剂表面,或有限的吸附未必能导致催化反应的发生。一个具有催化活性的催化臭氧化反应,必须具备至少一种反应物吸附于催化剂表面的条件。因此本课题主要考虑与水有强烈相互作用的臭氧吸附于催化剂表面的机制。
　　在本论文中,基于DFT方法的大量计算详细地阐明产生羟基自由基的机理,研究了水分子在γ-Al2O3表面的吸附类型,水和臭氧的竞争行为,表面羟基对臭氧的吸附影响,详细探讨了生成羟基自由基的过程和生成自由基的反应位点,同时计算了甲酸,乙二酸和吡啶在γ-Al2O3(110)面上的吸附,解释了三种有机物不同吸附能力的原因,最后分析了臭氧在γ-Al2O3(110)面,γ-AlOOH(100)面和α-FeOOH(100)面的吸附行为。本课题认为在γ-Al2O3(110)面上吸附的水分子解离成表面羟基,不同位点的羟基具有不同的反应活性,且表面羟基密度的增加有利于分子的吸附,臭氧在0.375ML表面的AlI-OH和AlIII-OH上最易生成O2-OH,O2-OH会进一步生成羟基自由基和氧气。有机物在γ-Al2O3(110)面上既有物理吸附也有化学吸附,有机物的化学性质对吸附有重要影响。计算表明γ-Al2O3表面比γ-AlOOH和α-FeOOH表面具有较强的吸附臭氧能力。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 催化臭氧化简介

1.3 几种重要的催化剂

1.4 本文的主要研究内容

第2章 实验方法与基础

2.1密度泛函理论简介

2.2 量子化学简介

2.3 密度泛函理论方法（Density Functional Theory，DFT）

2.4 NEB方法简介

2.5 VASP软件简介

第3章 γ-Al2O3催化臭氧化反应机理

3.1 引言

3.2γ-Al2O3 (110)表面吸附

3.3γ-Al2O3 (100)表面吸附

3.4（110）面和（100）面的比较

3.5 H2O和O3分子在γ-Al2O3（110）表面的吸附

3.6 O3分子在（110）表面Al-OH上的分解

3.7 O3分子在（110）表面Al原子上的分解

3.9 本章小结

第4章 α-FeOOH和γ-AlOOH非均相催化剂

4.1 引言

4.2α-FeOOH（010）面

4.3γ-AlOOH（001）、（010）和（100）面

4.4 臭氧、水和有机分子在金属氧化物表面的吸附和解离能

4.5 本章小结

结 论

参考文献

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