可見(jiàn)光響應(yīng)型光催化材料的制備及降解氣相甲苯及鄰二氯苯的性能研究.pdf

1、揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)因具有光化學(xué)煙霧及溫室效應(yīng)等危害引起了人們的廣泛關(guān)注，苯系物類(lèi)VOCs所引起的“三致”效應(yīng)更是引起人們的高度重視，該類(lèi)VOCs的有效控制已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)控制技術(shù)能耗高、效率低、產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物及后期處理較難等問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了利用太陽(yáng)能的光催化技術(shù)，該技術(shù)在控制VOCs方面被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的凈化技術(shù)之一。然而，目前該技術(shù)在降解苯系物類(lèi)V

2、OCs方面因可見(jiàn)光利用率低而導(dǎo)致光催化活性較低。針對(duì)該科學(xué)問(wèn)題，本論文的研究思路是從可見(jiàn)光誘導(dǎo)下光催化材料活性的影響因素出發(fā)，通過(guò)不同的調(diào)變手段來(lái)構(gòu)建新型的具有可見(jiàn)光響應(yīng)的高效光催化材料，并以典型的苯系物類(lèi)VOCs甲苯和鄰二氯苯(ortho-dichlorobenzene，o-DCB)為研究對(duì)象，借助原位紅外光譜手段和密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)對(duì)降解反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了深入的探討，從而為構(gòu)建高

3、效光催化材料提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。具體的研究成果如下:
　　(1)基于調(diào)變材料的電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)元素?fù)诫s的手段構(gòu)建了一系列的TixZr1-xO2復(fù)合氧化物(其中x代表Ti/(Ti+Zr)的摩爾比）光催化材料。制備的TixZr1-xO2復(fù)合氧化物粒徑約300nm，晶型隨Zr元素?fù)诫s量的遞增顯示出從無(wú)定形態(tài)到多相結(jié)構(gòu)演變的規(guī)律。Ti0.3Zr0.7O2在可見(jiàn)光區(qū)域具有一定的吸收能力，并計(jì)算禁帶寬度值約為2.92eV，提高了TiO2的可見(jiàn)光

4、響應(yīng)范圍，在470nm處較弱的熒光信號(hào)意味著光致電荷較低的復(fù)合效率，進(jìn)而有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行。Ti0.3Zr0.7O2光催化材料在室溫條件下可見(jiàn)光(λ＞400nm)照射6h后氣相甲苯的轉(zhuǎn)化率是81.8％，CO2是生成的最終產(chǎn)物，降解過(guò)程中并伴隨有苯甲醛等中間物種產(chǎn)生。
　　(2)基于調(diào)變材料的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)半導(dǎo)體復(fù)合的手段構(gòu)建了不同比例的AgInS2/TiO2催化材料。制備的材料呈現(xiàn)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，TiO2與AgInS2形成的復(fù)合材料

5、都具有強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收能力，并且1∶5摩爾比的異質(zhì)結(jié)材料光致電荷分離效率最高。該催化材料在室溫條件下可見(jiàn)光（λ＞400nm）照射7h后降解氣相o-DCB的效率可達(dá)48.9％，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算和能帶匹配原則闡明了構(gòu)建的AgInS2/TiO2異質(zhì)結(jié)材料因AgInS2晶胞結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生偶極矩和該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)光照射下光生載流子可有效快速分離而具有高效催化機(jī)制。
　　(3)基于調(diào)變材料的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)形貌調(diào)控的手段構(gòu)建了多孔道海膽狀的V2O5

6、空心微米球光催化材料，平均粒徑約700nm，推導(dǎo)出空心結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程在于碳球模板的植入。V2O5空心球?qū)儆诮榭撞牧?，比表面積可達(dá)65.5 m2/g，為氣體吸附提供更多的活性位點(diǎn)，采用DFT計(jì)算得出V2O5屬于間接半導(dǎo)體，在可見(jiàn)光區(qū)域具有較強(qiáng)的吸收能力，該催化材料在室溫條件下可見(jiàn)光(λ＞400nm)照射7h后降解氣相o-DCB的效率可達(dá)45.7％，分別比對(duì)應(yīng)于實(shí)心球和商業(yè)化V2O5催化材料提高了11.4％和28.1％。通過(guò)原位紅外光譜的手

7、段分析了氣相o-DCB降解反應(yīng)過(guò)程:羥基自由基攻擊o-DCB苯環(huán)上的鄰位→氯酚類(lèi)物種→苯環(huán)上的氯原子被羥基取代→脫水后生成苯醌類(lèi)物種→結(jié)構(gòu)重排及苯環(huán)斷裂生成羧酸類(lèi)物種→羧酸類(lèi)物種礦化為CO2、H2O和HC1等無(wú)機(jī)小分子。
　　(4)基于調(diào)變材料的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)形貌調(diào)控的手段又構(gòu)建了雙殼ZnFe2O4空心微米球光催化材料，平均粒徑約600nm，調(diào)節(jié)不同的煅燒速率等關(guān)鍵性因素來(lái)探究雙殼空心狀的形成機(jī)理，當(dāng)煅燒速率為20C/min且煅燒