可见光响应型光催化材料的制备及降解气相甲苯及邻二氯苯的性能研究

发布时间：2020-04-18 12:32

【摘要】：挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)因具有光化学烟雾及温室效应等危害引起了人们的广泛关注,苯系物类VOCs所引起的“三致”效应更是引起人们的高度重视,该类VOCs的有效控制已经成为国内外研究热点。针对传统控制技术能耗高、效率低、产生较多的副产物及后期处理较难等问题,近年来出现了利用太阳能的光催化技术,该技术在控制VOCs方面被认为是最有应用前景的净化技术之一。然而,目前该技术在降解苯系物类VOCs方面因可见光利用率低而导致光催化活性较低。针对该科学问题,本论文的研究思路是从可见光诱导下光催化材料活性的影响因素出发,通过不同的调变手段来构建新型的具有可见光响应的高效光催化材料,并以典型的苯系物类VOCs甲苯和邻二氯苯(ortho-dichlorobenzene, o-DCB)为研究对象,借助原位红外光谱手段和密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)对降解反应的机理进行了深入的探讨,从而为构建高效光催化材料提供实验和理论依据。具体的研究成果如下：(1)基于调变材料的电子结构,通过元素掺杂的手段构建了一系列的TixZr1-xO2复合氧化物(其中x代表Ti/(Ti+Zr)的摩尔比)光催化材料。制备的TixZr1-xO2复合氧化物粒径约300 nm,晶型随Zr元素掺杂量的递增显示出从无定形态到多相结构演变的规律。Ti0.3Zr0.7O2在可见光区域具有一定的吸收能力,并计算禁带宽度值约为2.92 eV,提高了Ti02的可见光响应范围,在470 nm处较弱的荧光信号意味着光致电荷较低的复合效率,进而有利于催化反应的进行。Ti0.3Zr0.7O2光催化材料在室温条件下可见光(λ400 nm)照射6h后气相甲苯的转化率是81.8%,C02是生成的最终产物,降解过程中并伴随有苯甲醛等中间物种产生。(2)基于调变材料的晶体结构,通过半导体复合的手段构建了不同比例的AgInS2/TiO2催化材料。制备的材料呈现异质结结构,Ti02与AgInS2形成的复合材料都具有强的可见光吸收能力,并且1：5摩尔比的异质结材料光致电荷分离效率最高。该催化材料在室温条件下可见光(λ400 nm)照射7h后降解气相o-DCB的效率可达48.9%,通过量子化学计算和能带匹配原则阐明了构建的AgInS2/Ti02异质结材料因AgInS2晶胞结构可产生偶极矩和该异质结结构在可见光照射下光生载流子可有效快速分离而具有高效催化机制。(3)基于调变材料的微观结构,通过形貌调控的手段构建了多孔道海胆状的V205空心微米球光催化材料,平均粒径约700 nm,推导出空心结构的形成过程在于碳球模板的植入。V205空心球属于介孔材料,比表面积可达65.5m2/g,为气体吸附提供更多的活性位点,采用DFT计算得出V205属于间接半导体,在可见光区域具有较强的吸收能力,该催化材料在室温条件下可见光(λ400 nm)照射7h后降解气相o-DCB的效率可达45.7%,分别比对应于实心球和商业化V205催化材料提高了11.4%和28.1%。通过原位红外光谱的手段分析了气相o-DCB降解反应过程：羟基自由基攻击o-DCB苯环上的邻位→氯酚类物种→苯环上的氯原子被羟基取代→脱水后生成苯醌类物种→结构重排及苯环断裂生成羧酸类物种→羧酸类物种矿化为H2O和HCl等无机小分子。(4)基于调变材料的微观结构,通过形貌调控的手段又构建了双壳ZnFe2O4空心微米球光催化材料,平均粒径约600 nm,调节不同的煅烧速率等关键性因素来探究双壳空心状的形成机理,当煅烧速率为20℃/min且煅烧温度为350℃时,因ZnFe2O4前驱体界面层的收缩力和粘附力的共同作用形成了双壳空心结构,X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)表征该材料属于立方尖晶石相,该催化材料在室温条件下可见光(λ400 nm)照射7h后降解气相o-DCB的效率高达73.9%,是因为双壳ZnFe2O4空心球材料具有较高的比表面积(126.7 m2/g)和较强的光吸收能力(双壳结构的光散射效应)。
【图文】：

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逦逦ＯｆｆＵｎｅ逡逑图１．１用活性炭去除ＶＯＣｓ的工艺流程图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｆｌｏｗ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ＶＯＣｓ邋ｒｅｍｏｖａｌ邋ｗｉｔｈ邋ａｃｔｉｖａｔｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ［２0］逡逑然而，通过上述概念及流程可知，吸附法虽然具有操作|!便和处理效率离等优点，逡逑但是吸附剂吸附饱和后需要定期更换，从而提离了邋ＶＯＣｓ的处理成本；再者，吸附从本逡逑质上说并没有使污染物彻底矿化为无机化合物，仅是封存起来，故后续的处理过程需要逡逑进一步的考虑；最后，，吸附ＶＯＣｓ的稳定性和持久性更是应该关注的问题ＰＤ’２Ｗ。逡逑口）液相吸收法逡逑－３－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X51;O643.36

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本文编号：2632094