关于Au/TiO2臭氧分解催化剂的制备与性能研究

2022-12-26

前言

介质阻挡放电法生成低温等离子的过程中往往会伴随着少量臭氧等副产物生成。臭氧属于强氧化性的物质, 拥有较高的化学反应活性。高浓度的臭氧会对人体和生物组织造成直接损害。实验研究结果表明, 当O3的浓度为0.11 ppm时, 呼吸两小时, 便使肺活量减少20%;当O3的浓度为0.13ppm时, 胸部和鼻子将会产生刺激感;当O3浓度高达1-2 ppm时, 呼吸两小时, 眼和呼吸器官会有急性的灼烧感, 出现头痛症状并且中枢神经发生障碍, 如果时间再长一点, 思维将会发生紊乱。世界卫生组织已制订了关于臭氧的安全标准:8小时工作环境下允许的最大浓度应低于0.l ppm (相当于0.33μg/L) 。

目前有关臭氧的分解方法多种多样, 其主要分解方法有活性碳法、药液吸收法、热分解法、电磁波辐射分解法、催化分解法。活性碳法操作简单方便, 但是使用时间一长, 活性碳容易失去活性, 需要经常更换或再生, 并且只适用于低浓度臭氧。该方法的使用有局限性, 并且在臭氧浓度高的时候有爆炸的可能。药液吸收法则是利用臭氧强氧化性的特点, 采用还原性强的溶液对臭氧进行吸收, 通常使用的溶液为硫代硫酸钠或亚硫酸钠溶液。这种方法不足之处在于需要处理废液。热分解法对高浓度的臭氧的分解率高。其原理是在400℃以上的高温下通过热分解或者燃烧发生氧化还原反应将臭氧分解掉。该方法的不足之处在于能耗大, 运用的费用高。电磁波辐射分解法才是采用紫外或近红外线照射臭氧, 激发臭氧转化为氧气。催化分解法则是直接催化分解臭氧, 所需的条件不苛刻, 没有废液或废物生成, 能较好弥补其他方法的不足之处, 分解率高、长期稳定、安全经济, 是较为理想的方法。

催化分解法的关键在于制备出高效、稳定、经济的催化剂。本文介绍一种新型Au/Ti O2催化臭氧分解的催化剂, 它催化效率高, 稳定性能好。

二、实验方法

1. 主要仪器

7520型分光光度计, 上海分析仪器厂;锐钛矿型Ti O2, 浙江舟山明日纳米材料公司生产;自制的5cm×5cm玻璃片;4 W黑光灯管 (峰值λ=365 nm, hv=3.40 e V) , 北京电光源研究所;8 W杀菌灯管 (峰值λ=253.7 nm, hυ=4.89 e V) , 上海金光灯具厂。

2. 催化剂的制备

首先将锐钛矿型Ti O2粉末在空气气氛中以500℃焙烧4 h, 冷却后配制成Ti O2悬浮液。然后将一定浓度的HAu Cl4水溶液滴加到Ti O2悬浮液中, 再用0.1 M的Na OH溶液调节悬浮液的p H至7。在50℃温度下静置2 h, 过滤, 洗涤, 在真空室温下干燥。接着在200℃的空气氛围中焙烧4 h, 制得理论担载量为1%的Au/Ti O2催化剂。

将制得的催化剂分散到蒸馏水中得到浓度为1mg/ml的催化剂的悬浮液, 用滴管滴加在表面粗化的5 cm×5 cm的玻璃片上, 干燥, 重复多次, 即得到涂覆量约为10 mg的催化剂玻璃样片。

3. 臭氧分解检测方法

O3发生器是三根圆柱玻璃管, 内封有8 w的杀菌灯, 用于产生臭氧。采用扁平式石英管做反应器, 放入担载催化剂的薄玻璃片, 两个4 w的黑光灯分别放置在反应器的两侧。臭氧的浓度采用靛蓝二磺酸钠分光光度法测定。

二、性能检测

1. 材料微观结构检测

Au/Ti O2的SEM图如图1所示。Au/Ti O2的颗粒较为均匀, 并且颗粒排布较为致密。均匀且致密的微观结构使得臭氧能高效地与催化剂接触, 提高催化剂的催化效率。

2. 催化剂的催化活性

在不同的臭氧浓度下, 催化剂的催化效率效率有所不同。如图2所示, 在臭氧初始浓度为1000 mg/m3, 1500 mg/m3, 2300 mg/m3的情况下, Ti O2的催化效率分别为28.7%, 25.1%, 22.5%, 1%Au/Ti O2的催化效率分别为98.6%, 95.5%, 90.3%。1%Au/Ti O2的催化效率明显大于Ti O2的催化效率。

3. Au/Ti O2催化剂稳定性

催化剂的稳定性是考核催化剂优劣的主要指标。测试1%Au/Ti O2催化剂稳定时, 每隔50分钟测试一次臭氧分解率, 初始浓度为1000 mg/m3, 根据臭氧分解率随时间的变法来判断催化剂的稳定性。实验数据表明, 如图3所示, 连续工作1000分钟后, 催化剂分解率从98.6%降低到95.5%, 减少3.1%, 下降幅度为3.2%, 且1000分钟以后催化效率基本上稳定在95.5%左右。由此可见, Au/Ti O2的催化剂稳定性能良好。

三、结语

Au/Ti O2催化剂的粒径分布均匀, 且分布紧密, 有利于提高催化剂与臭氧的接触从而提高催化性能。相比于单纯的Ti O2的催化剂, Au/Ti O2对臭氧的催化效果有显著的提高, 在相同的臭氧浓度下, Au/Ti O2对臭氧的催化效率比Ti O2提高3-4倍。并且Au/Ti O2催化剂的稳定性良好, 1000分钟的测试时间内, 催化效率仅降低3.1%, 催化效率稳定在95.5%左右。由此可见, Au/Ti O2是一种性能良好的催化臭氧分解的催化剂。

摘要：较高浓度的臭氧危害人体健康, 各种分解臭氧的办法被广泛研究。催化分解法是一种无二次污染、高效、低运营成本的方法。Au/Ti O2是一种良好的催化分解臭氧的催化剂, 实验表明Au含量为1%的Au/Ti O2 (简称为1%Au/Ti O2) , 催化臭氧的分解率为98.6%, 并且连续工作1000分钟后, 催化率下降幅度仅为3.2%。这显示出1%Au/Ti O2不仅仅催化性能好, 而且稳定性强。

关键词：催化剂,臭氧分解,低温等离子