高活性晶面二氧化钛薄膜表面修饰及其光催化降解微量有机物

发布时间：2020-04-12 13:12

【摘要】：随着微量有机污染物(MCs)在我国以及世界各地水源和室内空气中被频繁检出,MCs污染已成为全球性环境问题,亟需开发出经济高效的MCs净化材料。本论文为了克服MCs的传质阻力,在制备高活性晶面TiO_2薄膜基础上,对其进行了纳米孔和Pt单原子修饰,探究了材料结构与光催化降解MCs活性的关系,从而研制高效的MCs光催化净化材料。同时设计制作了一款真空紫外光催化氧化(VUV-PCO)空气净化器,促进材料的实际应用。主要研究内容及成果如下:(1)采用一步水热法在制备高活性{001}晶面暴露TiO_2薄膜的同时实现了材料的纳米孔修饰。考查了Ti片预处理、水热条件对TiO_2晶面上纳米孔形成的影响,获得了制备的优化条件。基于TG/DTA-MS分析和水热反应后Ti片清洗及热处理影响结果,发现煅烧期间TiO_2晶面残留的有机物和HF酸及其在煅烧过程中的转化和反应对于TiO_2晶面上纳米孔的形成至关重要。(2)通过静态和动态实验,研究了纳米孔TiO_2薄膜对水中低浓度止痛灵的紫外(UV)和真空紫外(VUV)光催化降解。发现当止痛灵浓度高于450 ppb时,纳米孔薄膜表现出比无孔及P25薄膜高得多的UV光催化活性,接近负载Pt颗粒薄膜的光催化活性。而当浓度降至100 ppb时,甚至表现出比负载Pt颗粒薄膜更高的活性。连续47天动态实验发现具有很好的长期稳定性。当浓度低至15 ppb停留时间只有1.8 min时,VUV光照下仍然显示出光催化活性。纳米孔对促进低浓度止痛灵传质、光生载流子分离和羟基自由基生成均具有重要作用。(3)研究了纳米孔修饰的TiO_2薄膜对气相低浓度甲苯的光催化降解,发现低浓度(25 ppb)下光催化效果明显。设计制作了一款由纳米孔TiO_2薄膜为光催化单元,Mn-Fe催化剂为臭氧去除单元的VUV-PCO空气净化器,在实际密封房间中,通过间歇和连续运行评价了同步去除VOCs和副产物O_3的性能。表明该净化器能连续有效地同步去除室内空气中的苯系物、醛酮类污染物和副产物O_3,且稳定性良好。(4)采用浸渍还原法对纳米孔TiO_2薄膜进行了进一步Pt单原子修饰,发现H_2PtCl_6浓度是影响单原子分散的关键因素,HAADF-STEM和XAS表征证实了单原子分散。修饰后TiO_2薄膜VUV光照下停留时间仅0.3 s,对空气中200 ppb甲苯去除率达到45.88%,远高于修饰前和负载Pt颗粒的材料,光催化效率是修饰前的5.94倍;停留时间仅0.5 min,对水中500和100 ppb止痛灵降解率分别达到94.52%和100%,为修饰前的1.90和2.07倍,能耗仅为修饰前的28%。水中和空气中稳定性均良好。单原子Pt作为催化反应的活性中心和电子捕获中心,与纳米孔和高活性晶面之间协同作用,大大促进了MCs的光催化降解。
【图文】：

迁移途径

011; Luo et al., 2014; Jurado et al., 2012; Manamsa et al.的典型代表，，PPCPs 类污染物多具有免疫毒性、神经性等，即使浓度在几纳克每升，都可能通过接触、吸康产生直接或潜在的危害（Wang et al., 2013; Feng e医药及化妆品的人为使用是其产生的主要方式，并通废水、家畜排泄物和粪肥等多种方式进入土壤或者水的生物活性、旋光性和极性，因此在环境中不易自然类物质还在源源不断地被释放到环境中，研究者称其CPs 大多以原始或被转化形式随污水进入污水处理厂城市污水处理厂排放口、地下水、饮用水中检测到有ck et al., 2012; Kuroda et al., 2012; Nakada et al., 2008;

室内空气污染,典型分布

内空气中微量有机污染物空气中的 MCs 以挥发性有机物（volatile organic compounds，胁人类健康的另一重大环境问题。人们大部分时间都在室内环境代化建筑均采用密封设计以减少热能的损失（Jones, 1999; Ver这直接导致室内外通风率降低，空气交换率（AER）只有 0Mills et al., 1991）。因此，室内空气质量差导致的人身健康问题显国，通风受到恶劣天气条件或室外有害污染物的影响，导致室外水平高 2-4 倍（Fanger, 2000），人们对环保的认识已由室外
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X50;O643.3;O644.1

【相似文献】