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1、湖南大学 硕士学位论文 新型光催化剂制备及其原位红外研究 姓名：宋寒 申请学位级别：硕士 专业：化学工艺 指导教师：周小平 20080515 新型光催化剂制备及其原位红外研究 II 摘 要 室内空气污染已成为目前我们面临的主要污染问题之一，而易挥发性有机物是室内 空气污染的主要成分。传统的空气净化方法存在一定的局限性，利用光催化方法降解挥 发性有机物成为室内空气净化的一个新方法。光催化剂在光催化降解反应中把有机物直 接氧化成 CO2和 H2O，不产生其它有害物质，是理想的空气污染治理材料。 本文设计了一种新型的在可见光条件下具备活性的光催化剂，使用自制光催化反应 器考察丙酮在催化剂上的光催化降
2、解反应后发现：催化剂 A 在可见光与紫外光条件下均 具备良好的光催化降解丙酮性能，但光催化反应需要在一定的温度下进行；催化剂 B 具 备比催化剂 A 更好的光催化性能，表现在其反应温度更低，且在可见光条件下仍然有良 好的光催化活性，同时丙酮氧化更为彻底；相对目前应用广泛的 P25（TiO2）光催化剂而 言，催化剂 B 的光催化性能在紫外条件下与 P25 无明显差别，并具备 P25 无法实现的可 见光光催化性能。 利用原位红外光谱对催化剂 B 光催化降解丙酮进行研究。结果表明，丙酮在黑暗条 件的催化剂上存在吸附-脱附平衡，室温时催化剂表面缓慢达到丙酮吸附-脱附平衡，并生 成吸附态丙酮；而在较高的
3、温度下丙酮的吸附过程较室温时迅速，同时也容易从催化剂 表面脱附。 丙酮在紫外条件下容易在催化剂表面发生深度氧化反应， 在反应温度为 150C 时，在催化剂表面生成大量的 CO2，随着反应温度的下降，CO2的生成速率也随之下降， 当反应温度下降到 120C 时， 出现中间产物 CO。 丙酮在可见光条件下的催化剂表面发生 的催化氧化反应速率比紫外条件时低，因此能够观察到中间产物的出现，在反应温度为 130、140C 时，观察到大量甲酸盐类（1586cm-1）中间产物，而在 120、150C 时则只有 很小的红外信号，这表明中间产物甲酸盐类经由多步氧化反应生成，而温度升高后较为 迅速的转化为 CO2
4、。 研究表明，丙酮在催化剂上的氧化首先由丙酮上的甲基开始。其间，可能先生成了 CH3COCH2O-吸附物，它进一步被氧化成丙酮醛、丙酮酸以及碳二醛、乙酸和碳一吸附 物种，最终氧化成 CO2。 关键词：可挥发性有机物；原位红外光谱；光催化降解；光催化剂；丙酮氧化 硕士学位论文 III Abstract Indoor air pollution has been becoming one of the main environmental problems nowadays. Volatile Organic Compounds (VOCs) is the main components of t
5、he indoor air pollution. Because of the photocatalytic oxidation of VOCs into CO2 and H2O without generating other toxic compounds, the photocatalytic degradation of organic pollutants becomes a more effective method than the conventional air purification methods. We designed a novel photocatalyst,
6、which is effective under visible light. The reaction results of acetone photodegradation over the catalysts show that catalyst B is more active than catalyst A, but the reaction only occurs above 120C. TiO2 catalyst showed high acetone conversion under UV irradiation as catalyst B did, but TiO2 was
7、not active under visible light. In the in-situ FT-IR study for acetone photodegradation, catalyst B was used. The investigation shows that there is adsorption-desorption balance over the surface of the catalyst at room temperature in darkness, and the process is accelerated at elevated temperature.
8、Acetone could easily be oxidized into CO2 over catalyst B under ultraviolet light at 150C. At lower reaction temperatures, such as 140, 130, and 120C, the reaction slows down. When the reaction temperature was reduced to 120C, CO as an intermediate was observed. The catalyst B is still active under
9、visible light, but the activity is slightly lower than that under ultraviolet light. In the in-situ investigation of acetone photodegradation over catalyst B under visible light, reaction intermediates, such as formate, carbonates, and CO were observed. At temperatures of 130, 140C, binate formate (
10、1586cm-1) showed strong peak, while only weak signals were observed at reaction temperatures 120C. The results reveal that binate formate was formed via multi-step oxidations of acetone and finally oxidized to CO2. The FT-IR investigation shows that the photoxidation of acetone on catalyst starts fr
11、om the methyl group of acetone molecule to form CH3COCH2O-, which is further oxidized to acetaldehyde, acet-acid, adsorbed aldehyde, acetic acid, and C1 species. These species are finally oxidized to CO2 and water. Key words: Volatile Organic Compunds, in-situ FT-IR, Photocatalytic degradation, Phot
12、ocatalyst, Acetone oxidation I 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本
13、学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在 2 年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 多年来，许多国家包括我国都在耗费巨资治理大气污染，并初见成效。但近年来， 人们突然发现室内空气污染给人类身心健康带来的危害远大于室外的空气污染，尤其是 新装修的居室、写字楼及新车辆，室内空气污染情况更为普遍和严重，污染程度可达到 现阶段国家规定标准的数倍、数十甚至数百倍。这里所指的“
14、室内” ，不仅包括居室，也 包括办公室、会议室、教室、影剧院、图书馆等各种室内公共场所，以及飞机、火车、 汽车等交通工具的内环境1。大量资料表明，室内空气污染已经严重地损害了人类的健 康，并成为某些疾病的主要致病源。继“煤烟型” 、 “光化学烟雾型”污染后，目前正进 入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期2。 1.1 室内空气污染现状 1.1.1 室内空气污染分析 国内外的研究表明，室内空气污染的主要来源主要有： i）燃料。我国小城镇大部分家用燃料以木柴、庄稼秸杆或煤来满足最基本的能源要 求，燃烧产物 CO 和 SO2等导致室内空气污染。室内燃烧还可使空气中 SO2、氮的氧化 物、碳氢化合物
15、及总悬浮颗粒等对人体有害物质的浓度增大。 ii）吸烟。吸烟是室内最严重的污染之一。据测定，在居室内吸一支香烟产生的污染 物对人体的危害比马路上行使的汽车排放的污染物对人体的危害要大。吸烟者吐出的烟 雾中主要含有一氧化碳、氮氧化合物、烷烃、烯烃、芳烃、含氟烃、硫化氢、氨、亚硝 胺等，这些有害气体对人体的肺及支气管粘膜的纤毛上皮细胞有严重的损害作用。 iii）建筑及装饰材料。一些合成材料由于价格低廉、性能优越作为建筑材料和建筑 装修材料广泛获得应用，这些建材成为室内空气污染的污染源，如人造板材中释放的甲 醛污染物、油漆涂料中挥发的苯、挥发性有机物。石材中的放射性污染氡等。 iv）电器带来的污染。电
16、器产品如复印机、打印机、计算机等会散发有害气体如臭 氧、有机挥发物等，造成室内空气品质的下降。 v）室外空气污染。室外受污染的空气通过通风空调系统进入室内，造成室内空气的 污染。其主要污染为环境空气中的粉尘，汽车和工业废气中的 SO2、NOx、CO2、PM10 等。 事实上， 在上述提及到的几个室内空气污染源中， 挥发性有机化合物 （Volatile Organic Compounds，VOCs）是室内空气污染物的主要成分1。挥发性有机物是一类重要的空气 污染物，通常是指沸点在 50-260C、室温下饱和蒸气压超过 133.1kPa 的有机化合物3， 包括烃类、卤代烃、芳香烃、多环芳香烃等。工业排放如化工厂排出的工业尾气、废弃 物焚烧的烟气中含有多种 VOCs， 机动车排放的尾气中含有未完全燃烧的烃类物质。 室内 新型光催化
