宽带隙半导体光催化降解VOCs的增强性能及反应机理研究
发布时间：2021-03-20 12:08
工业经济的快速发展并伴随着人们对生活质量要求的提高,洁净的大气环境对于我们的身心健康至关重要。当前,大气污染物主要由颗粒污染物及气相污染物等构成。相对于颗粒污染物(PM2.5等)可以使用吸附法进行去除。但以挥发性有机化合物（VOCS）为代表的的气相混合污染物（100ppm以上）,如甲醛、甲苯、卤代烃等,成分复杂、降解困难,难以用简单的过滤阻截技术得以去除。VOCS污染大都来自于大型工业废气、机动车尾气的排放;其次还有小部分从建筑家具材料、涂料等所释放出的污染气体而来。近来,半导体光催化技术被视为一种可用于降解VOCS污染的绿色高效的方法。它能够将低密度的太阳能转化为高密度的化学能和电能,在温和条件下将甲醛、甲苯等有机污染物深度氧化为二氧化碳和水。尽管,以TiO2类为代表的众多的宽带隙光催化剂在VOCS降解研究工作中取得了一些成果。但是,有些光催化剂极易因为氧化过程中出现的过量的反应中间体、二次毒副产物覆盖了表面的活性点位,而导致催化剂失活或稳定差的现象。然...
【文章来源】：重庆工商大学重庆市
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化降解VOCS污染机理示意图[25]
第一章绪论7成·OH；二是来自于过氧化氢（H2O2）。·O2-主要是e-还原O2的产物。当·O2-被质子化作用之后，也可以转化为表面·OH物种，式(1.2)-(1.5)：目前来看，对于VOCS的降解过程，有以·OH自由基起主导氧化作用的光催化反应机制[47]。·OH自由基对污染物几乎没有选择性，它会对反应物及中间体（如醇类、醛类、酸类等）进行持续的氧化，通过对碳氢键中的氢原子位的抽娶加成，从而达到降解VOCS污染物，并最终矿化为CO2、H2O等小分子（图1-2）。近来也有研究报道认为，在气固相反应对苯的降解中，h+是起关键作用的活性自由基，而不是·OH自由基。因为相较与液固相反应来说，气固相反应中缺水的环境不利于·OH自由基的生成。取而代之，具有强氧化能力的h+能够攻击苯环，使其进行开环反应[49]。而在Pt/TiO2光催化剂上[50]，通过对活性自由基的信号捕捉实验，发现·OH自由基在其光催化剂表面只有极微量的存在，并不足以推进甲苯氧化进程。参与反应的活性物种是h+以及·O2-，并促使了甲苯的开环和最终矿化。首先，甲苯的反应过程中，h+会氧化甲苯，出现苄基自由基（·R）；其后·R在·O2-自由基作用下，演变为·ROO（过氧烷基自由基）。图1-2羟基自由基参与的甲苯光催化降解过程[48]Figure1-2Photocatalyticdegradationoftoluenewithhydroxylradicals[48].总之，·OH、h+和·O2-都可以是参与光催化VOCS过程的活性物种，并将反应物转化为含碳的中间体。这些中间体中包括羧酸、酮类、醛类等。而中间体的进一步氧化的途径及机理是比较复杂的，其中羧酸常会在光化学作用下，会被氧化为目标矿化物CO2。而在对非芳香族化合物的光催化降解中（如甲醛等），醛、酮类中间体的碳氧双键会在紫外光光照下，分解产生如有毒副产物CO[51]。理论
重庆工商大学硕士学位论文14图2-1光催化净化甲苯/甲醛的实验装置示意图Fig.2-1Schematicillustrationfortoluene,formaldehydepurificationexperiment.2.4原位红外光谱技术原位红外测试设备的主要构成有TensorⅡFTIR分光仪（Bruker）、原位反应仓（Harrick）及相应气路管线等。将样品放入反应仓进行加热脱水蒸汽处理（110℃,20分钟）；在通入He条件下，测试样品的基线；打开O2源（50ml/min）和目标气体（甲苯或甲醛，50ml/min），开始进行无光照条件下的吸附实验，并同时每2分钟采集一条光谱数据；样品对反应物吸附饱和后，关闭O2和目标气体。将紫外光源打开，在样品光催化降解过程中，动态采集反应界面物种的光谱数据。原位红外气路设计图2-2：图2-2原位红外气路设计图Fig.2-2ThedesignedreactionsystemfortheinsituDRIFTS.2.5密度泛函理论计算计算模型采用周期性超胞结构。计算软件采用成熟高效的第一性原理计算模拟
【参考文献】：
期刊论文
[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)
本文编号：3090977
【文章来源】：重庆工商大学重庆市
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化降解VOCS污染机理示意图[25]
第一章绪论7成·OH；二是来自于过氧化氢（H2O2）。·O2-主要是e-还原O2的产物。当·O2-被质子化作用之后，也可以转化为表面·OH物种，式(1.2)-(1.5)：目前来看，对于VOCS的降解过程，有以·OH自由基起主导氧化作用的光催化反应机制[47]。·OH自由基对污染物几乎没有选择性，它会对反应物及中间体（如醇类、醛类、酸类等）进行持续的氧化，通过对碳氢键中的氢原子位的抽娶加成，从而达到降解VOCS污染物，并最终矿化为CO2、H2O等小分子（图1-2）。近来也有研究报道认为，在气固相反应对苯的降解中，h+是起关键作用的活性自由基，而不是·OH自由基。因为相较与液固相反应来说，气固相反应中缺水的环境不利于·OH自由基的生成。取而代之，具有强氧化能力的h+能够攻击苯环，使其进行开环反应[49]。而在Pt/TiO2光催化剂上[50]，通过对活性自由基的信号捕捉实验，发现·OH自由基在其光催化剂表面只有极微量的存在，并不足以推进甲苯氧化进程。参与反应的活性物种是h+以及·O2-，并促使了甲苯的开环和最终矿化。首先，甲苯的反应过程中，h+会氧化甲苯，出现苄基自由基（·R）；其后·R在·O2-自由基作用下，演变为·ROO（过氧烷基自由基）。图1-2羟基自由基参与的甲苯光催化降解过程[48]Figure1-2Photocatalyticdegradationoftoluenewithhydroxylradicals[48].总之，·OH、h+和·O2-都可以是参与光催化VOCS过程的活性物种，并将反应物转化为含碳的中间体。这些中间体中包括羧酸、酮类、醛类等。而中间体的进一步氧化的途径及机理是比较复杂的，其中羧酸常会在光化学作用下，会被氧化为目标矿化物CO2。而在对非芳香族化合物的光催化降解中（如甲醛等），醛、酮类中间体的碳氧双键会在紫外光光照下，分解产生如有毒副产物CO[51]。理论
重庆工商大学硕士学位论文14图2-1光催化净化甲苯/甲醛的实验装置示意图Fig.2-1Schematicillustrationfortoluene,formaldehydepurificationexperiment.2.4原位红外光谱技术原位红外测试设备的主要构成有TensorⅡFTIR分光仪（Bruker）、原位反应仓（Harrick）及相应气路管线等。将样品放入反应仓进行加热脱水蒸汽处理（110℃,20分钟）；在通入He条件下，测试样品的基线；打开O2源（50ml/min）和目标气体（甲苯或甲醛，50ml/min），开始进行无光照条件下的吸附实验，并同时每2分钟采集一条光谱数据；样品对反应物吸附饱和后，关闭O2和目标气体。将紫外光源打开，在样品光催化降解过程中，动态采集反应界面物种的光谱数据。原位红外气路设计图2-2：图2-2原位红外气路设计图Fig.2-2ThedesignedreactionsystemfortheinsituDRIFTS.2.5密度泛函理论计算计算模型采用周期性超胞结构。计算软件采用成熟高效的第一性原理计算模拟
【参考文献】：
期刊论文
[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)
本文编号：3090977
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