【摘要】：隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn),日益突出的環(huán)境問題已成為限制人類社會(huì)健康發(fā)展的關(guān)鍵問題。當(dāng)今人類正面臨著環(huán)境污染所帶來的威脅,大氣污染所帶來的危害尤為嚴(yán)重,而HC化合物作為汽車尾氣中三大污染物之一,最近幾年來引起了大家的廣泛關(guān)注。由于大量未被充分燃燒而排放到大氣中的HC化合物在光照下可以與氮氧化物反應(yīng)生成光化學(xué)煙霧,不僅導(dǎo)致霧霾的形成,而且嚴(yán)重危害人類的健康。因此,如何治理空氣中HC化合物已成為全人類所共同關(guān)注的話題。在本論文中我們以乙烯和甲烷這兩種典型HC化合物為研究對(duì)象,探索了室溫下催化降解空氣中HC化合物的方法。主要研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)方面:1.制備了一系列半導(dǎo)體光催化劑 g-C3N4 CdS、Cu2O、BiVO4、Ag3PO4、WO3、SrTi03、TiO2,并進(jìn)行了光催化降解乙烯的測(cè)試,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及通過調(diào)研文獻(xiàn)提出了具有高效光催化降解乙烯活性的半導(dǎo)體催化劑必須滿足以下三個(gè)條件:首先,半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的位置必須高于-0.33 eV(Normal Hydrogen Electrode,NHE);其次,半導(dǎo)體的價(jià)帶頂?shù)奈恢帽仨毜陀?2.59 eV(NHE);最后,半導(dǎo)體的帶隙必須大于2.92 eV。然而通常單一半導(dǎo)體光催化劑很難同時(shí)滿足上述三個(gè)條件,少數(shù)能夠滿足以上條件的半導(dǎo)體光催化劑也只能吸收紫外光,無法充分利用太陽(yáng)光。受植物光合作用的啟發(fā),我們提出利用兩種窄帶隙半導(dǎo)體構(gòu)建Z-scheme復(fù)合結(jié)構(gòu)的光催化劑來高效光催化降解乙烯的設(shè)計(jì)方案,并且通過制備g-C3N4-Ag3PO4和In2O3-Ag-Ag3P04兩種Z-scheme復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行光催化降解乙烯,從實(shí)驗(yàn)上對(duì)上述設(shè)想進(jìn)行了驗(yàn)證。2.為了實(shí)現(xiàn)室溫下熱催化氧化空氣中的較低濃度的乙烯,首先我們從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)出發(fā)對(duì)C2H4+O2→CO2+H2O這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行了分析,結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)查,確定了利用貴金屬納米顆粒催化氧化乙烯的方案。針對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物水的積累會(huì)導(dǎo)致催化劑迅速失活的問題,提出采用超疏水性材料作為載體的方案,進(jìn)而提出了利用超疏水性的載體負(fù)載貴金屬納米顆粒催化劑來實(shí)現(xiàn)低溫下熱催化氧化空氣中較低濃度的乙烯的設(shè)計(jì)思路。然后在實(shí)驗(yàn)上,我們利用超疏水性的多壁碳納米管(MCNTs)作為載體,制備了一系列MCNTs負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的貴金屬Pt納米顆粒催化劑1-Pt-MCNTs、2-Pt-MCNTs、3-Pt-MCNTs,并測(cè)試了它們催化氧化乙烯的性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pt的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)就能實(shí)現(xiàn)在室溫下甚至低溫0℃下完全催化氧化200 ppm的乙烯,而且在室溫下120 h的穩(wěn)定性測(cè)試下其催化活性保持不變,在低溫0℃時(shí)也具有很好的穩(wěn)定性。3.由于甲烷分子中C-H鍵的鍵能大而且甲烷是非極性分子,因此甲烷分子中的C-H鍵極難被活化。為了實(shí)現(xiàn)室溫下光催化氧化空氣中較低濃度的甲烷,我們利用極性半導(dǎo)體ZnO中非極性面上交替排列的Zn2+和O2-所組成的Zn2+-O2-離子對(duì)以及其內(nèi)電場(chǎng)來增強(qiáng)甲烷分子中C-H鍵的振動(dòng),從而在光照下實(shí)現(xiàn)甲烷的C-H鍵的活化。為了進(jìn)一步提高光催化降解甲烷的活性,針對(duì)半導(dǎo)體光催化中決定最終光催化活性的三個(gè)關(guān)鍵步驟:光的吸收、電子-空穴的分離與遷移、表面的催化氧化還原反應(yīng),提出以下三種策略:(I)利用金屬納米顆粒的等離子共振引入可見光吸收;(Ⅱ)利用極性半導(dǎo)體的內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)光生電子-空穴的分離與遷移;(Ⅲ)利用光催化劑表面的缺陷加速表面的氧化還原反應(yīng)。最后制備了納米ZnO負(fù)載Ag納米顆粒的光催化劑,并進(jìn)行了光催化降解甲烷的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,納米ZnO在模擬太陽(yáng)光下可以高效催化氧化甲烷,負(fù)載Ag納米顆粒后可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在可見光照射下高效催化氧化甲烷。
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【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X51;O643.32

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2379188