空气中典型小分子HC化合物的室温催化降解研究

发布时间：2018-12-14 19:28

【摘要】：随着工业化进程的快速推进,日益突出的环境问题已成为限制人类社会健康发展的关键问题。当今人类正面临着环境污染所带来的威胁,大气污染所带来的危害尤为严重,而HC化合物作为汽车尾气中三大污染物之一,最近几年来引起了大家的广泛关注。由于大量未被充分燃烧而排放到大气中的HC化合物在光照下可以与氮氧化物反应生成光化学烟雾,不仅导致雾霾的形成,而且严重危害人类的健康。因此,如何治理空气中HC化合物已成为全人类所共同关注的话题。在本论文中我们以乙烯和甲烷这两种典型HC化合物为研究对象,探索了室温下催化降解空气中HC化合物的方法。主要研究内容包括如下几个方面:1.制备了一系列半导体光催化剂 g-C3N4 CdS、Cu2O、BiVO4、Ag3PO4、WO3、SrTi03、TiO2,并进行了光催化降解乙烯的测试,根据实验结果以及通过调研文献提出了具有高效光催化降解乙烯活性的半导体催化剂必须满足以下三个条件:首先,半导体导带底的位置必须高于-0.33 eV(Normal Hydrogen Electrode,NHE);其次,半导体的价带顶的位置必须低于+2.59 eV(NHE);最后,半导体的带隙必须大于2.92 eV。然而通常单一半导体光催化剂很难同时满足上述三个条件,少数能够满足以上条件的半导体光催化剂也只能吸收紫外光,无法充分利用太阳光。受植物光合作用的启发,我们提出利用两种窄带隙半导体构建Z-scheme复合结构的光催化剂来高效光催化降解乙烯的设计方案,并且通过制备g-C3N4-Ag3PO4和In2O3-Ag-Ag3P04两种Z-scheme复合结构进行光催化降解乙烯,从实验上对上述设想进行了验证。2.为了实现室温下热催化氧化空气中的较低浓度的乙烯,首先我们从热力学和动力学出发对C2H4+O2→CO2+H2O这个反应进行了分析,结合文献调查,确定了利用贵金属纳米颗粒催化氧化乙烯的方案。针对反应产物水的积累会导致催化剂迅速失活的问题,提出采用超疏水性材料作为载体的方案,进而提出了利用超疏水性的载体负载贵金属纳米颗粒催化剂来实现低温下热催化氧化空气中较低浓度的乙烯的设计思路。然后在实验上,我们利用超疏水性的多壁碳纳米管(MCNTs)作为载体,制备了一系列MCNTs负载不同质量分数的贵金属Pt纳米颗粒催化剂1-Pt-MCNTs、2-Pt-MCNTs、3-Pt-MCNTs,并测试了它们催化氧化乙烯的性能,结果发现当Pt的质量分数为3%时就能实现在室温下甚至低温0℃下完全催化氧化200 ppm的乙烯,而且在室温下120 h的稳定性测试下其催化活性保持不变,在低温0℃时也具有很好的稳定性。3.由于甲烷分子中C-H键的键能大而且甲烷是非极性分子,因此甲烷分子中的C-H键极难被活化。为了实现室温下光催化氧化空气中较低浓度的甲烷,我们利用极性半导体ZnO中非极性面上交替排列的Zn2+和O2-所组成的Zn2+-O2-离子对以及其内电场来增强甲烷分子中C-H键的振动,从而在光照下实现甲烷的C-H键的活化。为了进一步提高光催化降解甲烷的活性,针对半导体光催化中决定最终光催化活性的三个关键步骤:光的吸收、电子-空穴的分离与迁移、表面的催化氧化还原反应,提出以下三种策略:(I)利用金属纳米颗粒的等离子共振引入可见光吸收;(Ⅱ)利用极性半导体的内建电场促进光生电子-空穴的分离与迁移;(Ⅲ)利用光催化剂表面的缺陷加速表面的氧化还原反应。最后制备了纳米ZnO负载Ag纳米颗粒的光催化剂,并进行了光催化降解甲烷的测试。实验结果表明,纳米ZnO在模拟太阳光下可以高效催化氧化甲烷,负载Ag纳米颗粒后可以进一步实现在可见光照射下高效催化氧化甲烷。
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【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X51;O643.32

【参考文献】