寬帶隙半導(dǎo)體光催化降解VOCs的增強(qiáng)性能及反應(yīng)機(jī)理研究
發(fā)布時間：2021-03-20 12:08
工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展并伴隨著人們對生活質(zhì)量要求的提高,潔凈的大氣環(huán)境對于我們的身心健康至關(guān)重要。當(dāng)前,大氣污染物主要由顆粒污染物及氣相污染物等構(gòu)成。相對于顆粒污染物(PM2.5等)可以使用吸附法進(jìn)行去除。但以揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCS）為代表的的氣相混合污染物（100ppm以上）,如甲醛、甲苯、鹵代烴等,成分復(fù)雜、降解困難,難以用簡單的過濾阻截技術(shù)得以去除。VOCS污染大都來自于大型工業(yè)廢氣、機(jī)動車尾氣的排放;其次還有小部分從建筑家具材料、涂料等所釋放出的污染氣體而來。近來,半導(dǎo)體光催化技術(shù)被視為一種可用于降解VOCS污染的綠色高效的方法。它能夠?qū)⒌兔芏鹊奶柲苻D(zhuǎn)化為高密度的化學(xué)能和電能,在溫和條件下將甲醛、甲苯等有機(jī)污染物深度氧化為二氧化碳和水。盡管,以TiO2類為代表的眾多的寬帶隙光催化劑在VOCS降解研究工作中取得了一些成果。但是,有些光催化劑極易因為氧化過程中出現(xiàn)的過量的反應(yīng)中間體、二次毒副產(chǎn)物覆蓋了表面的活性點(diǎn)位,而導(dǎo)致催化劑失活或穩(wěn)定差的現(xiàn)象。然...
【文章來源】：重慶工商大學(xué)重慶市
【文章頁數(shù)】：69 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
光催化降解VOCS污染機(jī)理示意圖[25]
第一章緒論7成·OH；二是來自于過氧化氫（H2O2）。·O2-主要是e-還原O2的產(chǎn)物。當(dāng)·O2-被質(zhì)子化作用之后，也可以轉(zhuǎn)化為表面·OH物種，式(1.2)-(1.5)：目前來看，對于VOCS的降解過程，有以·OH自由基起主導(dǎo)氧化作用的光催化反應(yīng)機(jī)制[47]。·OH自由基對污染物幾乎沒有選擇性，它會對反應(yīng)物及中間體（如醇類、醛類、酸類等）進(jìn)行持續(xù)的氧化，通過對碳?xì)滏I中的氫原子位的抽娶加成，從而達(dá)到降解VOCS污染物，并最終礦化為CO2、H2O等小分子（圖1-2）。近來也有研究報道認(rèn)為，在氣固相反應(yīng)對苯的降解中，h+是起關(guān)鍵作用的活性自由基，而不是·OH自由基。因為相較與液固相反應(yīng)來說，氣固相反應(yīng)中缺水的環(huán)境不利于·OH自由基的生成。取而代之，具有強(qiáng)氧化能力的h+能夠攻擊苯環(huán)，使其進(jìn)行開環(huán)反應(yīng)[49]。而在Pt/TiO2光催化劑上[50]，通過對活性自由基的信號捕捉實驗，發(fā)現(xiàn)·OH自由基在其光催化劑表面只有極微量的存在，并不足以推進(jìn)甲苯氧化進(jìn)程。參與反應(yīng)的活性物種是h+以及·O2-，并促使了甲苯的開環(huán)和最終礦化。首先，甲苯的反應(yīng)過程中，h+會氧化甲苯，出現(xiàn)芐基自由基（·R）；其后·R在·O2-自由基作用下，演變?yōu)?#183;ROO（過氧烷基自由基）。圖1-2羥基自由基參與的甲苯光催化降解過程[48]Figure1-2Photocatalyticdegradationoftoluenewithhydroxylradicals[48].總之，·OH、h+和·O2-都可以是參與光催化VOCS過程的活性物種，并將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為含碳的中間體。這些中間體中包括羧酸、酮類、醛類等。而中間體的進(jìn)一步氧化的途徑及機(jī)理是比較復(fù)雜的，其中羧酸常會在光化學(xué)作用下，會被氧化為目標(biāo)礦化物CO2。而在對非芳香族化合物的光催化降解中（如甲醛等），醛、酮類中間體的碳氧雙鍵會在紫外光光照下，分解產(chǎn)生如有毒副產(chǎn)物CO[51]。理論
重慶工商大學(xué)碩士學(xué)位論文14圖2-1光催化凈化甲苯/甲醛的實驗裝置示意圖Fig.2-1Schematicillustrationfortoluene,formaldehydepurificationexperiment.2.4原位紅外光譜技術(shù)原位紅外測試設(shè)備的主要構(gòu)成有TensorⅡFTIR分光儀（Bruker）、原位反應(yīng)倉（Harrick）及相應(yīng)氣路管線等。將樣品放入反應(yīng)倉進(jìn)行加熱脫水蒸汽處理（110℃,20分鐘）；在通入He條件下，測試樣品的基線；打開O2源（50ml/min）和目標(biāo)氣體（甲苯或甲醛，50ml/min），開始進(jìn)行無光照條件下的吸附實驗，并同時每2分鐘采集一條光譜數(shù)據(jù)；樣品對反應(yīng)物吸附飽和后，關(guān)閉O2和目標(biāo)氣體。將紫外光源打開，在樣品光催化降解過程中，動態(tài)采集反應(yīng)界面物種的光譜數(shù)據(jù)。原位紅外氣路設(shè)計圖2-2：圖2-2原位紅外氣路設(shè)計圖Fig.2-2ThedesignedreactionsystemfortheinsituDRIFTS.2.5密度泛函理論計算計算模型采用周期性超胞結(jié)構(gòu)。計算軟件采用成熟高效的第一性原理計算模擬
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Promoting ring-opening efficiency for suppressing toxic intermediates during photocatalytic toluene degradation via surface oxygen vacancies[J]. Xing’an Dong,Wen Cui,Hong Wang,Jieyuan Li,Yanjuan Sun,Haiqiang Wang,Yuxin Zhang,Hongwei Huang,Fan Dong. Science Bulletin. 2019(10)
本文編號：3090977
【文章來源】：重慶工商大學(xué)重慶市
【文章頁數(shù)】：69 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
光催化降解VOCS污染機(jī)理示意圖[25]
第一章緒論7成·OH；二是來自于過氧化氫（H2O2）。·O2-主要是e-還原O2的產(chǎn)物。當(dāng)·O2-被質(zhì)子化作用之后，也可以轉(zhuǎn)化為表面·OH物種，式(1.2)-(1.5)：目前來看，對于VOCS的降解過程，有以·OH自由基起主導(dǎo)氧化作用的光催化反應(yīng)機(jī)制[47]。·OH自由基對污染物幾乎沒有選擇性，它會對反應(yīng)物及中間體（如醇類、醛類、酸類等）進(jìn)行持續(xù)的氧化，通過對碳?xì)滏I中的氫原子位的抽娶加成，從而達(dá)到降解VOCS污染物，并最終礦化為CO2、H2O等小分子（圖1-2）。近來也有研究報道認(rèn)為，在氣固相反應(yīng)對苯的降解中，h+是起關(guān)鍵作用的活性自由基，而不是·OH自由基。因為相較與液固相反應(yīng)來說，氣固相反應(yīng)中缺水的環(huán)境不利于·OH自由基的生成。取而代之，具有強(qiáng)氧化能力的h+能夠攻擊苯環(huán)，使其進(jìn)行開環(huán)反應(yīng)[49]。而在Pt/TiO2光催化劑上[50]，通過對活性自由基的信號捕捉實驗，發(fā)現(xiàn)·OH自由基在其光催化劑表面只有極微量的存在，并不足以推進(jìn)甲苯氧化進(jìn)程。參與反應(yīng)的活性物種是h+以及·O2-，并促使了甲苯的開環(huán)和最終礦化。首先，甲苯的反應(yīng)過程中，h+會氧化甲苯，出現(xiàn)芐基自由基（·R）；其后·R在·O2-自由基作用下，演變?yōu)?#183;ROO（過氧烷基自由基）。圖1-2羥基自由基參與的甲苯光催化降解過程[48]Figure1-2Photocatalyticdegradationoftoluenewithhydroxylradicals[48].總之，·OH、h+和·O2-都可以是參與光催化VOCS過程的活性物種，并將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為含碳的中間體。這些中間體中包括羧酸、酮類、醛類等。而中間體的進(jìn)一步氧化的途徑及機(jī)理是比較復(fù)雜的，其中羧酸常會在光化學(xué)作用下，會被氧化為目標(biāo)礦化物CO2。而在對非芳香族化合物的光催化降解中（如甲醛等），醛、酮類中間體的碳氧雙鍵會在紫外光光照下，分解產(chǎn)生如有毒副產(chǎn)物CO[51]。理論
重慶工商大學(xué)碩士學(xué)位論文14圖2-1光催化凈化甲苯/甲醛的實驗裝置示意圖Fig.2-1Schematicillustrationfortoluene,formaldehydepurificationexperiment.2.4原位紅外光譜技術(shù)原位紅外測試設(shè)備的主要構(gòu)成有TensorⅡFTIR分光儀（Bruker）、原位反應(yīng)倉（Harrick）及相應(yīng)氣路管線等。將樣品放入反應(yīng)倉進(jìn)行加熱脫水蒸汽處理（110℃,20分鐘）；在通入He條件下，測試樣品的基線；打開O2源（50ml/min）和目標(biāo)氣體（甲苯或甲醛，50ml/min），開始進(jìn)行無光照條件下的吸附實驗，并同時每2分鐘采集一條光譜數(shù)據(jù)；樣品對反應(yīng)物吸附飽和后，關(guān)閉O2和目標(biāo)氣體。將紫外光源打開，在樣品光催化降解過程中，動態(tài)采集反應(yīng)界面物種的光譜數(shù)據(jù)。原位紅外氣路設(shè)計圖2-2：圖2-2原位紅外氣路設(shè)計圖Fig.2-2ThedesignedreactionsystemfortheinsituDRIFTS.2.5密度泛函理論計算計算模型采用周期性超胞結(jié)構(gòu)。計算軟件采用成熟高效的第一性原理計算模擬
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Promoting ring-opening efficiency for suppressing toxic intermediates during photocatalytic toluene degradation via surface oxygen vacancies[J]. Xing’an Dong,Wen Cui,Hong Wang,Jieyuan Li,Yanjuan Sun,Haiqiang Wang,Yuxin Zhang,Hongwei Huang,Fan Dong. Science Bulletin. 2019(10)
本文編號：3090977
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