锰氧化物修饰氧化钛薄膜纳米催化剂的制备及其真空紫外光催化降解甲醛及臭氧的性能研究

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气相光催化可在常温常压下快速分解有机污染物,将有毒有机物彻底无机化,副产物少,但同时也存在反应速率慢,催化剂容易失活,光生电子与空穴容易复合等缺点。真空紫外光催化技术,基于催化剂在高能真空紫外光子辐照下,分解有机污染物,反应条件温和,可克服传统光催化的缺点,是一种有前景的室内空气净化技术。同时,以纳米贵金属修饰的TiO2为光催化剂,成本高,制备复杂限制了其应用。本研究首次采用光化学合成法在TiO2薄膜负载MnOx,得到MnOx/TiO2/Ti催化剂,方法简单,成本低廉。用扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼(Raman)光谱对MnOx/TiO2/Ti催化剂进行了表征,并应用于真空紫外光催化体系下分解低浓度甲醛,考察催化剂对甲醛及臭氧的催化分解能力。  光化学合成法制备得到的MnOx/TiO2/Ti催化剂,形貌是由纳米薄片卷曲而成的多孔薄膜,广泛覆盖于TiO2薄膜表面,呈“地衣状”。催化剂面仅有Ti,Mn,O三种元素,Mn的平均价态为+3,根据晶格间距推断其为六方锰矿α-Mn2O3。前驱体浓度、溶液初始pH值,光照时间以及焙烧温度对制备的MnOx形貌影响较大,甲醇投加量则对MnOx形貌的影响较小。此外,还考察了以铜网、不锈钢丝网、Ti网及铝箔为载体,采用光化学合成法负载MnOx。结果表明,在铜网与钛网上无法直接负载MnOx。  考察了不同制备条件下得到的MnOx/TiO2/Ti催化剂在真空紫外光下分解甲醛及臭氧的能力。在KMnO4溶液浓度为500mg/L,溶液的pH为10,甲醇投加量为20μL,光照30min,不经热处理的条件下,制备的MnOx/TiO2/Ti催化剂活性最高。  同时还研究了真空紫外光下,MnOx/TiO2/Ti、TiO2/Ti及Ti网(无催化剂)对甲醛及臭氧的分解性能。MnOx/TiO2/Ti催化剂对甲醛及臭氧均表现出最佳的催化分解活性,甲醛去除率为81.0%,比TiO2/Ti催化剂高18.0%,臭氧去除率为57.5%,比TiO2/Ti催化剂高33.4%。MnOx/TiO2/Ti催化剂在UV254+185nm、UV254nm+O3、暗态通入臭氧及UV254nm条件,甲醛去除率依次为UV254+185nm>UV254nm+O3>暗态通入臭氧>UV254nm,臭氧平均去除率依次为UV254+185nm>UV254nm+O3>暗态通入臭氧。此外,MnOx/TiO2/Ti催化剂在不同甲醛浓度,不同相对湿度条件下,甲醛去除率及臭氧去除率均高于TiO2/Ti催化剂。随着甲醛的初始浓度增加,MnOx/TiO2/Ti催化剂及TiO2/Ti催化剂对甲醛去除率有不同程度的下降,而两种催化剂在臭氧去除率方面则略有增加。在中低湿度下,MnOx/TiO2/Ti催化剂保持稳定较高的甲醛去除率,当湿度大于35%,增加体系相对湿度,甲醛去除率下降。对于TiO2/Ti催化剂,随着相对湿度增加,甲醛去除率先增加后减小,相对湿度在35%时,开始下降。在去除臭氧方面,MnOx/TiO2/Ti催化剂及TiO2/Ti催化剂均随湿度增加而减小。  本研究中的真空紫外光催化分解甲醛及臭氧,包括了气相均相分解及在MnOx/TiO2/Ti催化剂表面的催化臭氧氧化分解。对于副产物臭氧的去除,是通过MnOx表面催化分解及TiO2对臭氧的光催化分解。
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