ZnTiO_3-TiO_2复合光催化剂的制备及光催化降解有机污染物机制分析

TiO2光催化剂因无毒无害而在光催化降解污染物领域有巨大潜力。但由于TiO2的光生电子空穴复合较快,量子效率较低,限制了它的广泛使用。在本研究中,通过溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备了ZnTiO3-TiO2异质结复合光催化剂,分析了配比和煅烧温度对材料光催化性能的影响,以甲基橙(MO)溶液为模拟污染物进行光催化降解,研究了其催化效果及效率提升的机制。研究表明,在紫外光照射下,ZnTiO3与TiO2比值为0.3时,在600℃下煅烧3h后,其催化效果最佳且表现出良好的化学稳定性。通过光电流测试和电子自旋共振波谱仪的检测结果,证明复合光催化剂的光生电子和空穴复合率降低,从而提高了光催化活性。     

镧掺杂TiO2/g-C3N4复合光催化剂的制备及其可见光催化活性研究

以工业二氧化钛(TiO_2)、硝酸镧(LaN_3O_9·5H_2O)、三聚氰胺(C_3H_6N_6)为原料制备了La掺杂TiO_2/g-C_3N_4复合光催化剂.采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外(FT-IR)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱(PL)等表征方法对光催化剂结构进行分析,表明复合样品中La以La~(3+)形式存在于TiO_2晶体中,并形成TiO_2/g-C_3N_4异质结构,其禁带宽度减小、吸收带边红移,光催化效率有明显提高.以亚甲基蓝为目标污染物评价其光催化活性,镧掺杂量为4%(质量分数)、煅烧温度为520℃、煅烧时间为2 h时,复合样品光催化活性最佳,在12 LED灯下,180 min后对10 mg·L~(-1)亚甲基蓝溶液的去除率达97%.     

g-C3N4在可见光下协同PDS降解磺胺二甲嘧啶的机制研究

以二聚氰胺为前驱体合成光催化剂石墨相碳化氮(g-C_3N_4),通过透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)等技术对g-C_3N_4材料进行形貌结构和光学性能的表征.实验过程中,以g-C_3N_4光催化降解磺胺二甲嘧啶(SMZ)中,加入过硫酸盐(PDS)联合效果的研究结果表明,PDS加快了g-C_3N_4对SMZ的光催化降解;通过荧光测试,表明了PDS使g-C_3N_4的光生空穴(h~+)与光生电子(e-)能够进行有效地分离,从而加强其光催化性能;实验同时研究了PDS/g-C_3N_4体系对磺胺二甲嘧啶(SMZ)光催化降解的影响机制.研究表明,SMZ的光催化降解反应符合准一级动力学规律;pH在酸性环境下有利于SMZ的降解;使用草酸钠作为光生空穴分子捕获剂,检测到h~+存在于PDS/g-C_3N_4光催化体系中,并计算得出h~+的贡献率为65.9%,表明h~+在降解中起到主要作用;TOC的检测表明,加入PDS有助于SMZ的矿化.     

C3N4/BiOBr复合可见光催化剂的性能及其作用机制

利用水热合成法制备了C_3N_4/BiOBr复合可见光催化剂,通过XRD、FT-IR、SEM、DRS、PL等手段对催化剂的物相组成和光化学性能进行了系统表征,利用对罗丹明B(RhB)的降解实验评价了催化剂在可见光照下的光催化降解活性和稳定性并通过ESR分析和自由基捕获实验探究了RhB的光催化降解机制.结果表明,水热合成法可成功制备结晶性能良好的C_3N_4/BiOBr复合可见光催化剂;C_3N_4的复合降低了BiOBr光催化剂的电子-空穴的复合,提高了光催化降解活性,其中15%C_3N_4/BiOBr的活性最佳,可见光照18 min后RhB的脱色率达100%,较纯BiOBr提高了1.5倍,且重复使用5次后仍具有较高的光催化降解活性;复合催化剂光催化降解RhB过程中参与降解的主要活性物种为空穴(h~+)和超氧自由基(·O_2~-),其中h~+影响更为显著.     

BiOCl-(NH4)3PW12O40复合光催化剂制备及其光催化降解污染物机制

光生电子和空穴的分离效率是影响光催化性能的重要因素.氯氧铋是典型的层状纳米光催化剂,却因光生电子和空穴的快速复合所表现出的低量子效率而受到使用限制.本文通过两步的水热法合成了BiOCl-(NH_4)_3PW_(12)O_(40)复合光催化剂.以甲基橙(MO)为模拟污染物进行光催化活性测试.结果表明,在氙灯模拟的太阳光照射下,Bi与W的原子比为1∶1时,其催化效果最佳.通过自由基猝灭实验对催化剂光降解MO的催化机制进行了研究,发现BiOCl是由空穴,羟基自由基和超氧自由基共同作用来对MO进行降解;而复合催化剂则主要以羟基自由基和超氧自由基为活性物种来降解MO.通过对反应前后的催化剂进行XPS分析,证明了磷钨酸铵可以接收BiOCl产生的光生电子.通过光电流测试,表明复合光催化剂的光生电子的转移和分离效率有了较大的提高,从而提高了光催化活性.     

BiOCl-(NH_4)_3PW_(12)O_(40)复合光催化剂制备及其光催化降解污染物机制

光生电子和空穴的分离效率是影响光催化性能的重要因素。氯氧铋是典型的层状纳米光催化剂,却因光生电子和空穴的快速复合所表现出的低量子效率而受到使用限制。本文通过两步的水热法合成了BiOCl-(NH4)3PW12O40复合光催化剂。以甲基橙(MO)为模拟污染物进行光催化活性测试。结果表明,在氙灯模拟的太阳光照射下,Bi与W的原子比为1:1时,其催化效果最佳。通过自由基猝灭实验对催化剂光降解MO的催化机制进行了研究,发现BiOCl是由空穴,羟基自由基和超氧自由基共同作用来对MO进行降解;而复合催化剂则主要以羟基自由基和超氧自由基为活性物种来降解MO。通过对反应前后的催化剂进行XPS分析,证明了磷钨酸铵可以接收BiOCl产生的光生电子。通过光电流测试,表明复合光催化剂的光生电子的转移和分离效率有了较大的提高,从而提高了光催化活性。     

可见光响应手性TiO2复合光催化剂及其降解有机污染物

通过空穴和自由基捕获剂的加入,首先研究了可见光激发下手性TiO₂复合光催化剂降解罗丹明B和四环素的机理. 结果表明,可见光激发TiO₂光催化剂降解罗丹明B和四环素的机理是相同的,其形成的光生空穴是降解有机物的关键影响因素.利用D型手性表面活性剂在低温时可以构建右旋非对称手性堆积结构的D-TiO₂. 这种非对称结构在介孔TiO₂内部引入氧空穴和Ti-N键,使D-TiO₂也具有显著的可见光响应和可见光降解活性. La³⁺ 或者Fe³⁺的掺杂几乎不影响催化剂的形貌及其TiO₂的结晶过程, 但可以在催化剂中形成光生空穴和电子的捕获中心,显著提升可见光激发下TiO₂催化剂中光生空穴和电子的分离率,从而增强催化剂对四环素的光降解活性.     

TiO2/g-C3N4在泡沫陶瓷表面的负载及光催化空气净化性能增强

以市售P25(TiO_2)和g-C_3N_4为原料,以多孔氧化铝泡沫陶瓷为载体,进行了负载型光催化组件的设计与环境应用.运用浸渍提拉-热处理法制备负载P25/g-C_3N_4的泡沫陶瓷组件,对其微结构进行了表征测试,并将其应用于空气中NO的去除.结果表明,P25/g-C_3N_4在氧化铝泡沫陶瓷表面负载牢固,P25/g-C_3N_4禁带结构匹配有利于光生电荷的分离.研究了P25/g-C_3N_4比例对光催化性能的影响,当g-C_3N_4占P25的量为30%时,负载组件的光催化性能最佳,对NO的去除率达到79.6%.在5次循环反应后,负载型光催化剂表现出良好的稳定性.本研究为P25/g-C_3N_4复合光催化剂的空气净化应用提供了思路和技术基础.     

MoS2/BiOI复合光催化剂制备及其光催化氧化还原性能

通过两步法合成花状MoS_2/BiOI复合光催化剂,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外可见漫反射(UVVis)、光电子能谱(XPS)等方法对合成的样品进行了表征,对其可能的形成机制进行探究,通过电化学表征计算出BiOI与MoS_2的价带与导带位置,显示复合材料形成了1型异质结.同时以罗丹明B(RhB)与含Cr6+溶液作为目标污染物测试光催化剂的氧化还原性能,相比于BiOI和MoS_2单体,MoS_2/BiOI复合光催化剂表现出更强的光催化氧化与还原能力,其中以质量分数为2%的MoS_2与BiOI复合光催化剂效果最佳,可见光照20 min后RhB降解率达到98.92%,80 min后Cr6+溶液光催化还原率可达到97.87%,较纯BiOI分别提高了1.79倍与3.85倍,且经过4次重复利用后仍具有较高的光催化活性.光催化降解Rh B过程中空穴(h+)与超氧自由基(·O-2)作为主要活性物种,其中空穴影响更为显著.     

CH3O·引发的溴酸盐还原机制探究

针对溴酸盐(BrO-3)污染,本研究以三聚氰胺为前驱体制备石墨相氮化碳(g-C3N4)为自由基诱导催化材料.通过XRD、TEM、UV/Vis-DRS对其物相组成和光催化性能进行表征发现,制备的层状g-C3N4有稳定片层结构及可见光响应的禁带宽度(~2.70 e V).可见光照射下,g-C3N4表面产生的光生载流子不能直接还原溴酸盐.然而,若有有机小分子(如甲醇)存在,光催化还原效率迅速增大.通过原位电子顺磁共振谱(EPR)及对材料表面的光电化学测试分析,我们探索了该体系的光催化还原Br O-3的机制.结果表明,g-C3N4带隙较窄其空穴氧化能力较弱,在光催化过程中空穴只能将甲醇分子转化为CH3O·自由基,因而甲醇分子的存在提升了光生载流子的分离效率,加剧了自由基的累积.该自由基具有较高的还原活性,可迅速将水相中的溴酸根还原至溴离子.     

重庆市北碚大气中PM2.5、NOx、SO2和O3浓度变化特征研究

重庆是我国西南工业重镇,但长期受大气污染困扰.利用全自动在线环境监测仪器,于2012年1月—2014年2月,对重庆市北碚区大气中的典型污染物PM2.5、NO_x、SO_2和O_3进行了观测研究.结果表明:重庆北碚大气首要污染物为PM2.5,2012和2013年平均浓度分别为(67.5±31.9)和(66.6±37.5)μg·m~(-3),是国家环境空气质量一级标准35μg·m~(-3)的1.9倍,两年超过国家二级标准的天数分别为119和126 d,年超标率均大于1/3;两年NO_x,SO_2及O_3的年平均浓度分别为(57.1±24.6)和(55.1±36.6),(43.1±24.0)和(35.0±21.9)及(31.1±24.9)和(48.5±37.4)μg·m~(-3).大气污染物浓度具有明显的季节变化特征,PM2.5和NO_x冬季污染最为严重,两年冬季平均值分别比两年年平均值高33.6%、59.6%和43.2%、8.5%;O_3表现为夏高冬低;SO_2春季最高且污染最轻.大气污染物日变化显示PM2.5和NO_x浓度呈双峰日变化形式,有早晚两个峰值,与城市交通高峰相对应.SO_2和O_3浓度呈单峰日变化,前者峰值出现在午前10∶00—12∶00大气对流层被打破之后,而后者峰值出现在午后16∶00局地光化学最强之时.消减各种污染源的颗粒物直接排放,消减气态污染物SO_2和NO_x的工业排放,消减机动车NO_x和VOCs等的排放,才有可能使重庆北碚的大气污染状况得到改善.     

基于ZrO2/TiO2催化H2O2氧化低温脱硝的实验研究

以纳米TiO_2为载体,采用等体积浸渍法掺杂过渡金属氧化物ZrO_2进行改性,制备了一系列ZrO_2/TiO_2催化剂,以催化H_2O_2低温氧化NO脱硝,并采用X射线衍射(XRD)、H_2程序升温还原(H_2-TPR)、O_2程序升温氧化(O_2-TPO)、X射线光电子能谱(XPS)及电子顺磁共振(EPR)等表征分析探究了影响H_2O_2脱硝活性的因素.表征结果表明ZrO_2的负载量会影响催化剂中晶格氧的含量,晶格氧相对含量的增加有利于氧化还原反应中的电子传递,这是促进H_2O_2活化分解的关键.在微观表征的基础上,通过实验研究筛选获得了催化剂的最佳ZrO_2负载量,同时对比考察了非催化和纳米TiO_2催化作用下的H_2O_2氧化低温脱硝性能;针对获取的最优催化剂,进一步考察了不同烟气工况对催化剂活性的影响.实验结果表明,ZrO_2/TiO_2催化剂能有效促进H_2O_2的活化分解实现低温脱硝,且ZrO_2负载量为4%(质量分数)时,催化活性最高;在烟温为160℃、[H_2O_2]/[NO]物质的量比为2及空速为30000 h~(-1)时,NO转化率最高可达81%.     

富氧条件下SnO2/Al2O3催化剂上丙烯选择性还原NOx的研究

考察了分别用浸渍法、共沉淀法和溶胶-凝胶法制备的SnO₂/Al₂O₃催化剂上丙烯选择性还原NO_x的催化活性,发现制备方法与Sn的负载量对其活性有重要影响.溶胶-凝胶法制备的SnO₂/Al₂O₃催化剂活性最高,Sn的最佳负载量为5%.与浸渍法和共沉淀法制备的5%SnO₂/Al₂O₃催化剂相比,溶胶-凝胶法制备的5%SnO₂/Al₂O₃催化剂受水蒸汽的抑制作用较弱,并且在水和SO₂共存的条件下活性最高.此外,反应气中丙烯及氧气浓度的增加有利于NO_x转化率的提高.     

臭氧过氧化氢降解西马津试验研究

利用O3/H2O2体系降解内分泌干扰物类除草剂西玛津,对氧化产物进行了色谱分析,以评价该体系去除西玛津效能.西玛津浓度为2mg/L,过氧化氢与臭氧摩尔比为0.7,臭氧浓度为10.0mg/L,室温(26℃), pH值为7～8条件下,西玛津的去除率最高可达87.1%,说明O3/H2O2体系氧化西玛津的反应条件温和,易于工程应用;自来水本底西玛津的去除率较纯水中高约10%,达到86.9%;腐殖酸对西玛津的降解影响表现为低浓度促进高浓度抑制,碳酸氢根对西玛津降解的抑制作用较小;GC-MS检测到脱乙基西玛津的存在,通过对LC-MS谱图的分析也证明伴随西玛津的氧化,有脱乙基产物的生成;产物的IC检测结果表明存在脱氯反应过程,且有部分三嗪环被打开,说明臭氧过氧化氢系统氧化降解能力较强.     

V2O5/TiO2催化剂中毒机理的试验研究

选择性催化还原(SCR)催化剂是SCR烟气脱硝技术的核心,是整个SCR系统脱硝效率和经济性的决定因素.本文工作的主要研究思路是以钒钛SCR催化剂为研究对象,研究了H2O和SO2,以及相同含量下K、Na、Ca、Pb的氧化物对钒钛催化剂NO转化率的影响.H2O的存在会抑制V2O5/TiO2催化剂脱硝活性,而SO2在一定程度上促进(V2O5/TiO2)催化剂的SCR脱硝反应,提高NO转化率;碱金属K对钒钛催化剂的钝化作用都是最强,K2O和Na2O的掺入会抑制钒钛催化剂上V2O5的还原能力,而CaO和PbO的掺入对钒钛催化剂上V2O5的还原能力影响较小.     

Na2SO4中毒SCR催化剂对SO3生成特性的影响

为研究Na₂SO₄中毒SCR催化剂（V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂）对SO₃生成特性的影响,采用湿式浸渍法制备w（Na）为3%的Na₂SO₄中毒SCR催化剂,并通过N₂物理吸附/脱附、XRD（X射线衍射）技术、SEM（扫描电镜）、XPS（X射线光电子能谱）分析技术对催化剂的物理化学特性进行表征.结果表明:①随着反应温度的升高,所有催化剂上的SO₃生成率逐渐增加.当温度升至490℃时,SCR催化剂上的SO₃生成率为0.85%,而3% Na₂SO₄中毒SCR催化剂上的SO₃生成率高达1.36%.SO₄2-的存在导致V-O-S增多,从而促进SO₃的生成.②随入口ρ（SO₂）的增加,SO₃生成率呈下降的趋势.当入口ρ（SO₂）为1 000 mg/m3时,3% Na₂SO₄中毒SCR催化剂上的SO₃生成率为1.02%,而SCR催化剂上仅为0.60%.ρ（SO₂）对SO₃生成率的影响主要依赖于温度和催化剂活性位点数等.③N₂物理吸附/脱附、XRD和SEM表征结果表明,与SCR催化剂相比,Na₂SO₄中毒SCR催化剂表面有Na₂SO₄的积聚,出现了裂纹和大孔隙,催化剂的比表面积和孔容下降,这些变化均不利于催化剂的催化性能;XPS结果表明,Na₂SO₄的加入提高了表面化学吸附氧含量,降低了活性组分中w（V4+）/w（V5+）的值.研究显示,相比于SCR催化剂,Na₂SO₄中毒SCR催化剂上的SO₃生成率大幅增加.      

O3/H2O2降解水中扑灭通效能研究

利用拟一级降解速率常数表征O3/H2O2对扑灭通(Prometon)的氧化效能,探讨了n(H2O2)/n(O3)、pH值、水质和碳酸氢根离子对去除的影响,对有机氧化产物进行了气相和液相质谱分析,以离子色谱法测定了反应过程中产生的NO3-,在此基础上对扑灭通降解途径进行了研究.结果表明,扑灭通初始浓度2 mg.L-1,反应温度25℃,O3投量13 mg.L-1时,最佳反应条件为n(H2O2)/n(O3)=0.7,体系pH为7～8;扑灭通在自来水中的去除效果好于纯水;HCO3-浓度>50 mg.L-1时,对扑灭通的氧化有明显的抑制作用.液质和气质的分析结果表明扑灭通并未开环,氧化过程中扑灭通三嗪环支链上的2个异丙基首先被氧化脱去,离子色谱检测到的NO3-是三嗪环支链胺基氧化的产物.     

Fe3O4/CeO2-H2O2非均相类Fenton体系下降解TCE的研究

采用浸渍法成功合成了新型催化剂纳米Fe3O4/CeO_2,并且用Fe3O4/CeO_2-H_2O_2非均相Fenton体系对TCE进行降解研究,考察了初始pH、H_2O_2浓度、温度及催化剂投加量等因素对于TCE降解效率的影响.实验结果表明,Fe3O4/CeO_2-H_2O_2非均相Fenton体系对TCE具有较好的去除效果:在初始pH=3,温度50℃,H_2O_2浓度30 mmol·L-1和Fe3O4/CeO_2投加量0.5 mg·L-1时,TCE去除率高达97.29%.同时实验结果表明pH在2~7范围内对TCE均有降解效果,所以相对于传统Fenton体系,该体系拥有更宽pH应用范围.目标污染物的降解符合一级动力学,反应活化能为30.77 k J·mol-1,表明反应易于进行.     

FeTiO3/TiO2纳米异质结的制备和可见光催化性能

采用水热法和溶胶凝胶法制备了新型FeTiO3/TiO2纳米异质结复合材料,并明确了最优的掺杂比例(0.5%).随后利用X射线衍射能谱(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等手段对该复合材料进行表征,证实了其结晶度、吸光度随掺杂量的规律性变化.电镜照片显示,该复合材料具有蓬松多孔的微观结构,且晶格条纹清晰、分散度高,有利于光电子的传导.对苯的降解实验表明,相比于纯TiO2,该催化剂的气相可见光催化能力大幅提高,降解率提升了3倍,达到40%,而CO2生成量提升了5倍,超过300 ppm.同时,电化学测试和电子顺磁共振谱(ESR)等均证实,FeTiO3的窄能带能够提高TiO2的光响应,实现可见光激发;而二者的能带相互匹配,有助于转移光生载流子,实现电子-空穴的高效分离,进而其光生电子和自由基生成能力大幅增强,因此,表现出了较强、较稳定的光催化活性.     

Fe3O4/TiO2-H2O2非均相类Fenton体系对3，4-二氯三氟甲苯的降解

用Fe_3O_4/Ti O_2-H_2O_2体系对3,4-二氯三氟甲苯(3,4-DCBTE)进行降解反应研究,同时考察了pH值、催化剂投加量、H_2O_2投加量、温度等因素对3,4-DCBTE降解效率的影响.实验结果表明,Fe_3O_4/Ti O_2-H_2O_2非均相类Fenton体系对3,4-二氯三氟甲苯的处理效果极佳;并且在H_2O_2投加量为45.0 mg·L~(-1)、Fe_3O_4/TiO_2的物质的量比为1∶1、pH=3.0、温度为40.0℃的条件下反应效果最佳,去除率高达99.1%.同时从实验结果可以看出,pH在2.0~7.0范围内该体系对3,4-二氯三氟甲苯均有降解效果,说明该体系相比于传统的Fenton体系有较宽的pH适用范围.目标污染物的降解符合一级反应动力学,其发生反应所需的活化能为36.9 k J·mol~(-1).