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1、山东交通学院大学生创业创新结项报告山东交通学院大学生创业创新结项报告参赛人员：土木参赛人员：土木 163 高建伟高建伟土木土木 163 谭振谭振土木土木 163 李寅龙李寅龙无机非无机非 161 郭英杰郭英杰目录二氧化钛光催化涂料降解甲醛报告.3前 言.3一、纳米 TIO2 光催化降解甲醛的研究现状及存在问题 .3二、光催化降解甲醛的机理 .4三、不同因素下二氧化钛对甲醛光催化降解的影响.4四、提高纳米 TiO2 光催化活性的方法.7五、其他影响 TiO2 光催化涂料实用化的因素.7六、纳米二氧化钛光催化涂料降解甲醛的研究.8七、结 论.10八、改进及其建议 .10二氧化钛光催化涂料降解甲醛报
2、告二氧化钛光催化涂料降解甲醛报告前前 言言室内空气污染已经成为世界各国广泛关注的环境问题,甲醛是典型的室内空气有机污染物之一,主要来源于室内装饰装修材料、家具和涂料等,已经被世界卫生组织确定为致癌物和致畸物1。随着国内经济的发展,居室装修的住户不断增加,从而对甲醛的治理迫在眉睫。目前一般用通风换气净化方法、物理吸附、化学吸收法、植物吸收净化方法、热破坏法、空气负子技术、材料封闭技术、光催化技术等2方法来处理甲醛。但是一般的方法处理效果不佳,而且存在二次污染。相比之下,光催化技术几乎能将所有的污染物氧化为无害物,而且不造成二次污染。特别是纳米 T i O2 是目前室内空气净化应用最广的光催化剂。
3、一、纳米一、纳米 TIO2 光催化降解甲醛的研究现光催化降解甲醛的研究现状及存在问题状及存在问题在甲醛光催化降解的研究中，TiO2 由于其本身的优良特性，如价格低廉、安全、高光催化效率和无需化学添加剂等，仍然是比较常用的光催化剂。同其他光催化反应一样，光催化降解甲醛的催化剂 TiO2 改性方法也主要有纳米化，固定化和与其他氧化物复合等改性方法。例如，古正荣等采用将光催化剂和吸附材料相结合的新反应体系，以具有直通孔的成型支撑体（如防水的牛皮纸）胶粘活性炭为复合载体，用浸涂法在复合载体上形成纳米 TiO2 光催化剂薄壳层，制备出可以用于空气净化的活性炭纳米 TiO2 空气净化网15,16这种净化网
4、对含甲醛废气的降解率可达 98.5，同时通过对比实验还证明了这种负载型净化网优于单一的活性炭、单一的 TiO2 及简单的二者混合。张玉红等采用溶胶胶粒修饰制备了 TiO2 与 SiO2、ZrO2、WO3 和 MoO3 复合的一系列复合氧化物光催化剂二、光催化降解甲醛的机理二、光催化降解甲醛的机理自 1972 年 Fujsihima 和 Honda3-5发现受辐射的 TiO2 表面能发生对水的持续氧化、还原反应的功能以后,半导体多相光催化反应引起了人们很大的关注。T i O2 满的价带和空的导带之间的禁带宽度为 3.26 e V。在有少量水蒸气的空气中,当能量超过其禁带宽度的光子照射在 T i
5、O2表面时,价带的电子会被激发到导带,在导带形成高活性的电子(e-),同时在价带产生一个带正电的空穴 h+,激发后产生的电子-空穴对很快从体内迁移到表面。在光催化氧化空气中微量甲醛的反应条件下,吸附在催化剂表面的空气中的氧气被光生电子还原为O2-,微量水被空穴氧化为O H。两者为甲醛的深度氧化提供了高活性的氧化剂。O2-和O H 攻击甲醛的 CH 键,与其活泼的 H 原子产生新自由基,激发链式反应,最终使甲醛分解为 H2O 和 C O2。三、不同因素下二氧化钛对甲醛光催化降三、不同因素下二氧化钛对甲醛光催化降 解的影响解的影响甲醛光催化反应有很多影响因素,有湿度、甲醛初始污染物浓度、气体流速、
6、反应温度、催化剂用量、催化剂载体、紫外光强度等。3.1相对湿度的影响相对湿度的影响在光催化反应中,TiO 对水分子存在吸附饱和如果没有水蒸气存在,会导致催化剂表面氢氧基团逐渐减少,增加了电子与空穴的复合,从而使催化剂活性下降；一旦水蒸气浓度较高,水分子与甲醛发生竞争吸附作用,会强烈地抑制反应的进行。因此,湿度是进行光催化降解甲醛的重要影响因素。鹿院卫等10的研究表明,在密闭环境下,湿度对甲醛自然衰减没有明显影响,因此他们认为湿度对甲醛的光催化氧化降解有重要影响而且存在一最佳值。齐虹等11的试验结果显示不同的实验条件下随着相对湿度的增加,甲醛降解率先增后减,最佳相对湿度在 35%左右,相对湿度过
7、高或过低都不利于甲醛的光催化降解。3.2甲醛初始浓度的影响甲醛初始浓度的影响在光催化反应体系中,其他试验条件不变的情况下,甲醛初始浓度的不同对光催化效果有一定的影响。黄婉霞等12用粒径为 17 nm 的纳米二氧化钛制成的质量比为 2%的喷雾剂进行实验,在一定时间内随着甲醛初始浓度的增加,降解率上升,但是随着甲醛初始浓度的继续增加,降解率反而下降。翟增运等13所做的研究也得出类似结果。齐虹等11研究结果表明,甲醛初始浓度越高,其反应平衡时间越长,甲醛降解率会降低(甲醛浓度为 6.97 m g/m3 时,在 120 m i n 就达到平衡,此时甲醛降解率为98.57%,当甲醛浓度为 46.67 m
8、 g/m3 时,要到 240 min 降解才达到平衡,降解率为 95.35%)。3.3 其他因素的影响其他因素的影响除了以上的影响因素外,甲醛气体流速、催化剂载体、掺杂、光强等对甲醛降解率都有很重要的影响。鹿院卫等10的研究中同时也发现在较高污染物浓度条件下,流速的提高有利于污染物的光催化降解；相反,当污染物浓度较低时,流速提高污染物光催化降解效率反而降低。钱昱等14探讨了载体、掺杂、黏结剂等因素对 TiO2 光催化降解甲醛速率的影响。得出 TiO2 负载在无纺布和镍网上甲醛光催化降解的效果较好。活性炭的加入能明显提高甲醛的光催化降解速率,而掺杂过多时降解速率有所下降。ATO 的加入也能提高甲
9、醛光催化速率。水玻璃作为黏结剂时能有效提高甲醛光催化速率。廖东亮等15在二氧化钛光催化降解甲醛反应动力学研究过程中得出,甲醛的降解率随着 TiO2 活化温度的升高而降低,最佳活化温度为 450 ,而且活化时间为 5 h 时光催化剂对甲醛的降解率最高。Xu Rui-fen 等16对纳米二氧化钛光催化降解甲醛的机理分析表明,在气相条件下,空气中的氧气压和蒸汽压对空气微量甲醛的降解效率有很大影响。W H CHING 等17制备光催化剂对甲醛的降解研究表明,TiO2 对甲醛的降解速率和紫外光的强度也密切相关。四、提高纳米四、提高纳米 TiO2 光催化活性的方法光催化活性的方法T i O2 价廉、无毒、
10、稳定性好、易于回收,是一种良好的光催化剂。而且其被光激发产生的电子(e-)/空穴(h+)对,具有很强的氧化还原能力,但是TiO2 的带隙能为 3.2 eV 较宽,光吸收仅限于紫外区,限制了对太阳能的利用,而且空穴容易与电子复合,降低了光催化效率。因此人们对改善其光催化性能进行了广泛深入研究18-25。提高纳米 TiO2 光催化活性的方法有纳米 T i O2 固化和纳米 T i O2 改性。纳米 TiO2 固化方法包括:粉体烧结法、溶胶-凝胶法溅射法、化学气相沉积法、液相沉积法；纳米TiO2 改性方法包括:贵金属沉积、金属离子掺杂、非金属元素掺杂、复合半导体、表面光敏化、纳米 T i O2 表面
11、螯合及衍生。五、其他影响五、其他影响 TiO2 光催化涂料实用化的因光催化涂料实用化的因素素5.1 光照条件光照条件纳米 T i O2 是光催化剂,因而其作为室内空气净化的光催化剂在实际应用中会受到一些限制。在室内,白天自然光中满足要求的光强度比较小,催化效果差,晚上几乎没有光照,不产生催化作用。然而室内甲醛的浓度很容易超标,如果 T i O2 的催化分解速率小于甲醛的释放速率,就室内空气净化就不可能达到达标程度,因此会影响光催化涂料的销售。另外,光照产生的羟基自由基等寿命很短,也会影响到其净化效果。5.2 分散稳定性分散稳定性由于纳米 T i O2 粒径小,比表面积大,在溶液中受到范德华力等
12、引力的作用,极易形成难以分散的团聚体,这将大大降低甚至消除了纳米颗粒的实际应用效果。随着大量的研究将纳米技术应用在涂料改性中,如果纳米材料没有很好的分散稳定性,它就会在涂料中失去应有的作用。虽然已有大量关于纳米 T i O2 分散稳定性的研究2628,但是想使纳米技术在涂料工业中真正获得广泛的应用,T i O2 分散稳定性问题要有待深入研究。5.3 其他因素其他因素光催化涂料的涂布技术、涂布方式、催化剂及其催化剂失活、缺乏光催化性能评价标准等因素都会影响其在现实生活中的应用。六、纳米二氧化钛光催化涂料降解甲醛的六、纳米二氧化钛光催化涂料降解甲醛的研究研究纳米二氧化钛作为一种高效新型的光催化剂具
13、有化学稳定性高、无毒、成本低和催化能力强等特点,而且光催化技术具有在室温下可以使用、能耗低、无二次污染、净化效率高等优点,能够有效地降解室内低浓度的有害气体,甲醛、甲苯等有机物可以完全被 T i O2 光催化分解为 C O2 和H2O 等无机物,因此,纳米二氧化钛光催化技术备受重视。国内外许多学者先后研究了甲醛的光催化降解,这些研究总体上说,在二氧化钛光催化涂料方面取得一定的研究成果。研究结果显示,加入 2%纳米 T i O2 能极大地提高涂料降解甲醛的能力,甲醛降解率在 7 h 后达到 79%以上。但是加入 4%纳米 T i O2 的内墙涂料对甲醛的降解反而没有普通内墙涂料好。含量为 1%、2%、3%的涂料进行光催化
