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具有吸附—光催化性能的核壳SiO_2/TiO_2材料在室内空气净化中的应用

周晓丽  
【摘要】:寻求一种有效治理室内空气的净化技术,开发环保型净化材料,改善室内空气品质,是一项重要而迫切的研究课题。近年来,纳米材料光催化氧化技术作为一种极具发展潜力的净化手段,能够有效治理气态污染物,并已被越来越多的业内人士所肯定。但由于室内空气中挥发性污染物种类多,浓度低。将光催化氧化技术直接应用于室内空气中污染物降解不但降解较慢,而且会生成许多有害的中间产物,影响净化效果。因此光催化氧化技术并不适于直接应用于室内空气净化中。介孔二氧化硅不但可吸附室内空气有机挥发性污染物,亦可作为光催化剂Ti O2的良好载体。将光催化技术与吸附技术相结合,二元协同作用净化室内空气污染物,将形成一种新型联用净化技术,对于改善室内空气品质具有重要意义。设计出的吸附光催化材料有多级花状的Si O2/Ti O2复合材料。介孔Si O2先将有机污染物吸附到催化剂的表面,Ti O2进而发挥其光降解作用将有毒污染物降解。人们对光催化-吸附联用结合方式尚处于探索阶段,使得在实际应用过程中难以全面客观地把握其特性,影响了其性能的进一步提高,也阻碍了合理有效、经济可靠的应用及使用范围的拓展。因此对其进行全面系统的理论与实验研究具有很现实的意义。这也正是本文的研究目的所在。本文以介孔Si O2吸附剂为载体制备了具有吸附-光催化Si O2@Ti O2材料,以气相甲苯和乙醛为模拟室内污染物,通过系列实验研究了所制备材料的吸附和光催化性能,部分解决了光催化剂难分离,不易回收,吸附能力差和催化活性弱的问题,为光催化技术在室内空气的治理中的应用积累了数据。(1)Si O2@Ti O2协同吸附-光催化去除空气中甲苯污染物的研究由stobers法制备纳米晶Si O2,再通过醇热法在所制备的Si O2表面生长花状Ti O2纳米片,制备花状核壳Si O2@Ti O2复合材料,并考察了多种因素对吸附和光催化性能的影响,研究发现Si/Ti的比例的改变及其核壳空间结构的改变极大的影响复合材料对有机污染物的吸附能力和光催化降解效率。结合FESEM,TEM,XRD,XPS等表征手段,阐述了吸附剂和光催化的比例和空间结构对吸附-光催化协同效应的影响。实验结果表明,综合考虑吸附和降解性能,Si/Ti比为6.77的样品能较好地实现对甲苯的快速吸附和持续降解,具有潜在应用价值。(2)Si O2@Ti O2纳米复合材料的固载化及其吸附-光催化性能研究通过原位法在载体上负载Si O2,再用醇热法在Si O2载体上负载Ti O2纳米片,成功制备了Cu wire/Si O2@Ti O2及FG/Ti O2吸附-光催化纳米复合材料。借助FESEM,UV-Vis,BET,XRD,XPS等手段表明原位醇热技术合成的Cu wire/Si O2@Ti O2及FG/Ti O2纳米复合材料具有均匀的类核壳结构、尺寸均一、较大的比表面积、较高结晶度、完好的花状结构及较佳的热稳定性。同时,Ti O2花状结构在载体表面分散均匀,结晶度高,与载体结合牢固。(3)Au修饰Si O2@Ti O2纳米复合材料的制备及其吸附-光催化性能研究利用醇热法先合成Si O2@Ti O2,然后利用沉淀沉积法将Au负载在该催化剂上。系列表征表明Au纳米颗粒均匀的分散在Si O2@Ti O2纳复合材料的表面。通过对气相乙醛的降解反应中Au/Si O2@Ti O2复合材料显示出比Si O2@Ti O2更高的活性,可能与其具有的光热协同催化效应有关。实验表明,该材料可对污染物快速富集和持续降解,具有一定的应用前景。


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