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TiO_2基光催化剂的制备、结构及光催化降解VOCs性能与机理研究

孙松

  本论文的主要工作为TiO_2及过渡金属掺杂TiO_2气相光催化降解挥发性有机污染物(VOCs)的活性及其机理研究。论文分为四个部分(四章):第一部分是文献综述;第二部分是TiO_2光催化降解气相甲醛的原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in-situ DRIFTS)研究;第三部分是M-TiO_2(M=Fe, Co, Ag, Cu)催化剂的制备及可见光催化降解气相甲苯、邻-二甲苯反应性能及动力学研究;第四部分是Fe-TiO_2光催化剂的结构、性能及催化剂稳定性和失活-再生机理研究。 第一章是背景知识介绍和国内外相关工作最新研究进展的文献综述。首先,对挥发性有机污染物(VOCs)性质、种类、来源及危害进行了简单介绍,并对目前常见的VOCs污染控制和处理方法进行了总结;其次,从光催化机理、TiO_2基光催化剂两方面对新兴的光催化降解VOCs技术的研究进展进行了概括,并对光催化降解VOCs过程中的影响因素和存在的问题进行了分析;再次,综述了光催化降解VOCs的反应动力学与机理研究的最新进展,并详细地介绍了in-situ DRIFTS技术在该方面的应用;最后,说明了本论文的主要研究内容及意义。 第二章是TiO_2光催化降解气相甲醛的in-situ DRIFTS研究。搭建了气相光催化的in-situ DRIFTS装置,并首次利用in-situ DRIFTS手段对气相甲醛在TiO_2(Degussa, P25)表面的吸附和光催化降解进行了研究。通过对in-situ DRIFTS谱图和气相色谱实验数据的分析发现,单纯TiO_2是光催化降解气相甲醛的有效光催化剂;甲醛主要通过氢键的方式吸附在TiO_2表面的羟基活性位上;甲酸盐是甲醛光催化降解过程中最重要的中间产物;在干燥的条件下,O2-·是进攻催化剂表面吸附的甲醛分子的主要自由基;增加反应湿度能够提高TiO_2表面的羟基群数量,提供丰富的OH·,OH·成为进攻TiO_2表面甲醛分子的主要自由基。由于OH·具有较高的氧化还原电位(2.8 v),它的形成能够促进中间产物甲酸盐的形成,并提高整个光催化反应的速率。 第三章是M-TiO_2(M=Fe, Co, Ag, Cu)催化剂的制备及可见光催化降解气相甲苯、邻-二甲苯反应性能及动力学研究。使用钛酸四丁酯为前驱体,采用溶胶凝胶法制备了TiO_2和掺杂浓度分别为0.2%、0.5%和1.0%的M-TiO_2 (M=Fe, Co,Ag, Cu)光催化剂,并利用XRD、UV-vis DRS、BET等测试技术对该系列催化剂进行了表征,发现M-TiO_2经480℃退火3h后均为锐钛矿相结构。与TiO_2相比,M-TiO_2具有更宽的可见光响应范围,更高的比表面积和孔容。利用自行搭建的气相光催化降解VOCs活性评价装置对M-TiO_2可见光催化降解甲苯、邻-二甲苯的活性进行表征,发现掺杂后的TiO_2降解甲苯、邻-二甲苯的活性明显提高,其中Fe-TiO_2具有最高活性。湿度的增加能明显提高催化剂的活性。动力学研究结果显示不同湿度(R.H. 25%, R.H. 60%)条件下M-TiO_2光催化降解甲苯、邻-二甲苯的反应过程符合Langmuir-Hinshelwood动力学模型一级反应特征,其表观速率常数也相应计算得出。此外,利用in-situ DRIFTS研究分析了气相甲苯和邻-二甲苯光催化降解的主要反应路径。 第四章是Fe-TiO_2光催化剂的结构、性能及催化剂稳定性和失活-再生机理研究。Fe的掺杂显著提高了TiO_2比表面积和孔容。Fe-TiO_2孔径集中分布在3-5 nm范围内,为介孔结构。在低掺杂浓度范围内(≤0.7%),Fe3+基本取代Ti4+进入了TiO_2晶格。当掺杂浓度>1.0%时,Fe原子开始发生聚集。荧光光谱表征结果显示Fe的掺杂提高了电子-空穴分离效率,其中0.7%掺杂浓度的Fe-TiO_2具有最高的电子-空穴对分离效率。这是由于进入TiO_2晶格的Fe3+能作为电子俘获中心俘获光生电子,从而促进了电子-空穴对的有效分离。Fe-TiO_2系列催化剂可见光催化降解气相甲苯的活性顺序为:0.7% Fe-TiO_2(96.5%) > 1.0% Fe-TiO_2(88.6%) > 0.5% Fe-TiO_2(86.7%) > 1.5% Fe-TiO_2(75.4%) > 0.3% Fe-TiO_2(69.9%) > 0.1% Fe-TiO_2(40.0%) > TiO_2(14.9%)。催化剂稳定性测试结果表明,Fe-TiO_2催化剂具有较好的稳定性,在连续进行20次的降解实验后甲苯降解率由96.5%下降到70.3%,出现一定程度的失活。利用in-situ DRIFTS发现,造成失活的原因是由于甲苯降解过程中生成的中间产物苯甲酸和苯甲醛占据了活性吸附位。失活的Fe-TiO_2于380℃下热处理3 h后,其表面的苯甲酸和苯甲醛已完全脱附,催化剂活性能够完全恢复。……   
[关键词]:可见光催化;TiO_2;溶胶凝胶法;过渡金属掺杂;in-situ DRIFTS;VOCs;甲苯;甲醛;邻-二甲苯;反应动力学
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学技术大学2010年
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