原位红外光谱法研究纳米MO_2（M=Ti, Si）光解气相乙醇

【摘要】：光催化材料作为催化剂能催化降解数千种有毒有害化合物,它条件温和、无毒、无害、无二次污染,是非常有发展前途的环保方法。特别是,近年来利用光催化材料去除空气中挥发性有毒污染物逐渐成为研究的一个热点问题,并获得了广泛的应用。而红外光谱技术是气固两相催化研究中最有效的手段之一,尤其是在原位条件下对固体表面结构的研究优势明显。考虑到这点,本文通过建立一套原位红外系统考察了气相污染物乙醇在光催化材料二氧化钛纳米管和非晶态二氧化硅表面的光分解反应。 一方面,采用水热化学反应的方法,将二氧化钛粉末(P25)和10M NaOH溶液混合在100℃下反应25.5h后,制备得到二氧化钛纳米管。接着,利用原位红外光谱技术研究制得的二氧化钛纳米管光催化降解乙醇的反应。研究表明:合适的预处理焙烧温度(500℃)可提升其光催化性能。适当降低乙醇的起始浓度,光催化效果会更为理想。催化剂的积碳与催化剂失活行为之间可能存在某种关联。此外,研究还考察了影响光催化降解乙醇反应速率的其它因素。 而另外一方面,因为二氧化钛已经被广泛研究应用于环境污染治理的领域,故本文着重研究的对象为多相催化剂——二氧化硅在光催化降解有机物中的应用。特别地,利用红外光谱法考察了乙醇在气相二氧化硅表面的光化学吸附和反应特性。研究清楚地发现,常温下乙醇可在二氧化硅表面发生光催化脱氢反应。同时,甲酰基物种的出现表明乙醇可能在二氧化硅表面经历了碳-碳键断裂的过程。而二氧化碳的出现则说明在二氧化硅表面可能存在由一氧化碳到二氧化碳的光氧化过程。在这一氧化过程中,三线态氧向单线态氧转化,而分子氧和间隙氧则实现了氧原子互换。 位于883cm~(-1)和908cm~(-1)处红外吸收峰可分别归属于NBOHC(非桥氧空穴中心)和POR(过氧空穴中心)。而NBOHC和FOR分别是脱氢和氧化反应的表面活性位。 本研究所建立的吸附-催化原位红外光谱法是了解多相催化基元过程和表面反应机理的有效手段,将成为环境友好催化剂研究与开发中的重要方法。