基于ZnO的甲醛光降解反应微观机理研究

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近年来,随着现代工业的不断发展,大量与甲醛相关的工业产品(如粘合剂,复合木质产品等)出现在我们的生活中,室内甲醛污染已经成为人们生活中无法回避的威胁。甲醛对人体的神经系统及呼吸系统有很强的刺激作用,并且具有致癌、致敏、破坏免疫系统等危害。如何有效快速的降解室内甲醛已经成为人们研究的热点。  半导体光催化技术由于可以直接利用太阳能且没有二次污染等优点,在环境污染治理等领域得到了广泛的应用,被认为是最有前景的环境净化技术之一。而作为二氧化钛以外最常用的光催化剂之一,氧化锌(ZnO)由于具有合适的带隙,良好的电子迁移率与化学稳定性,以及较好的甲醛吸附能力等特点,使其在光催化降解甲醛研究中备受关注。本论文采用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备纳米ZnO和Ag复合的ZnO(Ag/ZnO)样品,并研究了不同条件对纳米ZnO表面发生的甲醛光催化降解微观过程的影响,研究内容主要包括:  (1)纳米ZnO不同煅烧(或真空退火)温度的影响  实验中我们发现,制备过程中的不同煅烧温度或者在真空环境下的退火对ZnO晶面分布及光催化降解甲醛效率有着显著的影响。高温退火使ZnO纳米颗粒表面暴露的极性面减少,非极性面增多。由于极性方向上光生电子-空穴对更容易分离,甲醛在ZnO极性面上表现出优于非极性面的光催化活性。  (2)环境的影响  这部分工作中我们研究了不同浓度氧气、水蒸气以及反应温度对ZnO光催化降解甲醛的影响。气相水主要是以吸附在样品表面的羟基形式参与反应,由于光催化反应过程中产生的羟基自由基较低的移动性,水蒸气对光催化降解甲醛没有明显的促进作用;而氧气则是以光活化的氧直接参与反应,氧气压力的提高可以显著提高光催化效率。另外,在不同反应温度下所得到的结果表明,在ZnO表面发生的光催化降解甲醛反应最佳温度是323K,说明在反应温度为323K以下时,电子/空穴参与的表面反应为整个反应的速控步骤,而在反应温度为323K以上时,电子-空穴的分离与迁移过程是整个反应的速控步骤。  (3)金属复合的影响  通过研究不同含量Ag修饰的ZnO对光催化降解甲醛的影响,发现Ag的修饰提高了ZnO在可见光区的光吸收;在323K,PCH2O∶PO2=1∶30(PCH2O=5mbar)条件下ZnO-2%Ag光催化降解甲醛的反应活性最好。
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