1、.x大學生創業創新結項報告目錄二氧化鈦光催化涂料降解甲醛報告3前 言3一、納米 TIO2 光催化降解甲醛的研究現狀及存在問題3二、光催化降解甲醛的機理4三、不同因素下二氧化鈦對甲醛光催化降解的影響4四、提高納米TiO2光催化活性的方法7五、其他影響TiO2光催化涂料實用化的因素7六、納米二氧化鈦光催化涂料降解甲醛的研究8七、結 論10八、改進及其建議10*;二氧化鈦光催化涂料降解甲醛報告 前 言室內空氣污染已經成為世界各國廣泛關注的環境問題,甲醛是典型的室內空氣有機污染物之一,主要來源于室內裝飾裝修材料、家具和涂料等,已經被世界衛生組織確定為致癌物和致畸物1。隨著國內經濟的發展,居室裝修的住戶

2、不斷增加,從而對甲醛的治理迫在眉睫。目前一般用通風換氣凈化方法、物理吸附、化學吸收法、植物吸收凈化方法、熱破壞法、空氣負子技術、材料封閉技術、光催化技術等2方法來處理甲醛。但是一般的方法處理效果不佳,而且存在二次污染。相比之下,光催化技術幾乎能將所有的污染物氧化為無害物,而且不造成二次污染。特別是納米T i O2是目前室內空氣凈化應用最廣的光催化劑。一、納米 TIO2 光催化降解甲醛的研究現狀及存在問題在甲醛光催化降解的研究中，TiO2 由于其本身的優良特性，如價格低廉、安全、高光催化效率和無需化學添加劑等，仍然是比較常用的光催化劑。同其他光催化反應一樣，光催化降解甲醛的催化劑 TiO2 改性

3、方法也主要有納米化，固定化和與其他氧化物復合等改性方法。例如，古正榮等采用將光催化劑和吸附材料相結合的新反應體系，以具有直通孔的成型支撐體（如防水的牛皮紙）膠粘活性炭為復合載體，用浸涂法在復合載體上形成納米 TiO2 光催化劑薄殼層，制備出可以用于空氣凈化的活性炭納米 TiO2 空氣凈化網15,16這種凈化網對含甲醛廢氣的降解率可達 98.5，同時通過對比實驗還證明了這種負載型凈化網優于單一的活性炭、單一的 TiO2 及簡單的二者混合。張玉紅等采用溶膠膠粒修飾制備了 TiO2 與 SiO2、ZrO2、WO3 和 MoO3 復合的一系列復合氧化物光催化劑二、光催化降解甲醛的機理自1972年Fuj

4、sihima和Honda3-5發現受輻射的TiO2表面能發生對水的持續氧化、還原反應的功能以后,半導體多相光催化反應引起了人們很大的關注。T i O2滿的價帶和空的導帶之間的禁帶寬度為3.26 e V。在有少量水蒸氣的空氣中,當能量超過其禁帶寬度的光子照射在T i O2表面時,價帶的電子會被激發到導帶,在導帶形成高活性的電子(e-),同時在價帶產生一個帶正電的空穴h+,激發后產生的電子-空穴對很快從體內遷移到表面。在光催化氧化空氣中微量甲醛的反應條件下,吸附在催化劑表面的空氣中的氧氣被光生電子還原為·O2-,微量水被空穴氧化為·O H。兩者為甲醛的深度氧化提供了高活性的氧化

5、劑。·O2-和·O H攻擊甲醛的CH鍵,與其活潑的H原子產生新自由基,激發鏈式反應,最終使甲醛分解為H2O和C O2。三、不同因素下二氧化鈦對甲醛光催化降解的影響甲醛光催化反應有很多影響因素,有濕度、甲醛初始污染物濃度、氣體流速、反應溫度、催化劑用量、催化劑載體、紫外光強度等。3.1相對濕度的影響在光催化反應中,TiO 對水分子存在吸附飽和如果沒有水蒸氣存在,會導致催化劑表面氫氧基團逐漸減少,增加了電子與空穴的復合,從而使催化劑活性下降；一旦水蒸氣濃度較高,水分子與甲醛發生競爭吸附作用,會強烈地抑制反應的進行。因此,濕度是進行光催化降解甲醛的重要影響因素。鹿院衛等10的研究

6、表明,在密閉環境下,濕度對甲醛自然衰減沒有明顯影響,因此他們認為濕度對甲醛的光催化氧化降解有重要影響而且存在一最佳值。齊虹等11的試驗結果顯示不同的實驗條件下隨著相對濕度的增加,甲醛降解率先增后減,最佳相對濕度在35%左右,相對濕度過高或過低都不利于甲醛的光催化降解。3.2甲醛初始濃度的影響在光催化反應體系中,其他試驗條件不變的情況下,甲醛初始濃度的不同對光催化效果有一定的影響。黃婉霞等12用粒徑為17 nm的納米二氧化鈦制成的質量比為2%的噴霧劑進行實驗,在一定時間內隨著甲醛初始濃度的增加,降解率上升,但是隨著甲醛初始濃度的繼續增加,降解率反而下降。翟增運等13所做的研究也得出類似結果。齊虹

7、等11研究結果表明,甲醛初始濃度越高,其反應平衡時間越長,甲醛降解率會降低(甲醛濃度為6.97 m g/m3時,在120 m i n就達到平衡,此時甲醛降解率為98.57%,當甲醛濃度為46.67 m g/m3時,要到240 min降解才達到平衡,降解率為95.35%)。3.3 其他因素的影響除了以上的影響因素外,甲醛氣體流速、催化劑載體、摻雜、光強等對甲醛降解率都有很重要的影響。鹿院衛等10的研究中同時也發現在較高污染物濃度條件下,流速的提高有利于污染物的光催化降解；相反,當污染物濃度較低時,流速提高污染物光催化降解效率反而降低。錢昱等14探討了載體、摻雜、黏結劑等因素對TiO2光催化降解甲

8、醛速率的影響。得出TiO2負載在無紡布和鎳網上甲醛光催化降解的效果較好。活性炭的加入能明顯提高甲醛的光催化降解速率,而摻雜過多時降解速率有所下降。ATO的加入也能提高甲醛光催化速率。水玻璃作為黏結劑時能有效提高甲醛光催化速率。廖東亮等15在二氧化鈦光催化降解甲醛反應動力學研究過程中得出,甲醛的降解率隨著TiO2活化溫度的升高而降低,最佳活化溫度為450 ,而且活化時間為5 h時光催化劑對甲醛的降解率最高。Xu Rui-fen等16對納米二氧化鈦光催化降解甲醛的機理分析表明,在氣相條件下,空氣中的氧氣壓和蒸汽壓對空氣微量甲醛的降解效率有很大影響。W H CHING等17制備光催化劑對甲醛的降解研

9、究表明,TiO2對甲醛的降解速率和紫外光的強度也密切相關。四、提高納米TiO2光催化活性的方法T i O2價廉、無毒、穩定性好、易于回收,是一種良好的光催化劑。而且其被光激發產生的電子(e-)/空穴(h+)對,具有很強的氧化還原能力,但是TiO2的帶隙能為3.2 eV較寬,光吸收僅限于紫外區,限制了對太陽能的利用,而且空穴容易與電子復合,降低了光催化效率。因此人們對改善其光催化性能進行了廣泛深入研究18-25。提高納米TiO2光催化活性的方法有納米T i O2固化和納米T i O2改性。納米TiO2固化方法包括:粉體燒結法、溶膠-凝膠法濺射法、化學氣相沉積法、液相沉積法；納米TiO2改性方法包

10、括:貴金屬沉積、金屬離子摻雜、非金屬元素摻雜、復合半導體、表面光敏化、納米T i O2表面螯合及衍生。五、其他影響TiO2光催化涂料實用化的因素5.1光照條件納米T i O2是光催化劑,因而其作為室內空氣凈化的光催化劑在實際應用中會受到一些限制。在室內,白天自然光中滿足要求的光強度比較小,催化效果差,晚上幾乎沒有光照,不產生催化作用。然而室內甲醛的濃度很容易超標,如果T i O2的催化分解速率小于甲醛的釋放速率,就室內空氣凈化就不可能達到達標程度,因此會影響光催化涂料的銷售。另外,光照產生的羥基自由基等壽命很短,也會影響到其凈化效果。5.2分散穩定性由于納米T i O2粒徑小,比表面積大,在溶

11、液中受到范德華力等引力的作用,極易形成難以分散的團聚體,這將大大降低甚至消除了納米顆粒的實際應用效果。隨著大量的研究將納米技術應用在涂料改性中,如果納米材料沒有很好的分散穩定性,它就會在涂料中失去應有的作用。雖然已有大量關于納米 T i O2分散穩定性的研究2628,但是想使納米技術在涂料工業中真正獲得廣泛的應用,T i O2分散穩定性問題要有待深入研究。5.3其他因素光催化涂料的涂布技術、涂布方式、催化劑及其催化劑失活、缺乏光催化性能評價標準等因素都會影響其在現實生活中的應用。六、納米二氧化鈦光催化涂料降解甲醛的研究納米二氧化鈦作為一種高效新型的光催化劑具有化學穩定性高、無毒、成本低和催化能

12、力強等特點,而且光催化技術具有在室溫下可以使用、能耗低、無二次污染、凈化效率高等優點,能夠有效地降解室內低濃度的有害氣體,甲醛、甲苯等有機物可以完全被T i O2光催化分解為C O2和H2O等無機物,因此,納米二氧化鈦光催化技術備受重視。國內外許多學者先后研究了甲醛的光催化降解,這些研究總體上說,在二氧化鈦光催化涂料方面取得一定的研究成果。研究結果顯示,加入2%納米T i O2能極大地提高涂料降解甲醛的能力,甲醛降解率在 7 h后達到79%以上。但是加入4%納米T i O2的內墻涂料對甲醛的降解反而沒有普通內墻涂料好。含量為1%、2%、3%的涂料進行光催化氧化降解甲醛的測試比較,發現加入納米粉

13、體后的涂料對甲醛有很明顯的催化降解,納米T i O2含量為3%時甲醛降解率最大。其又對納米TiO2-xNx粉體含量為1%、2%、3%的涂料的光催化降解甲醛測試比較得出納米T i O2-x N x粉體含量為3%時甲醛的分解率達到92.3%。劉永屏等31通過對納米T i O2的表面處理,改性內墻生態涂料對甲醛、氨氣等氣體的凈化效率達到90%以上。采用溶膠凝膠法制備T i O2并通過干燥器法測量T i O2對甲醛的吸附效率,結果表明,750 制備的TiO2吸附甲醛效率最高,TiO2對甲醛的吸附效率隨著光照時間的增加而增大,脫附實驗證明TiO2對甲醛的吸附是化學采用溶膠凝膠負載氣凝膠煅燒工藝制備的T

14、i O2光催化復合材料,具有較強的吸附性能和較高光催化性能。在25 m i n內,能迅速使甲醛的濃度從6.58 mg/m3降至0.99 mg/m3。對納米TiO2摻雜金屬鹽后的光催化甲醛降解性能進行了研究。結果表明,適當釩摻雜改性提高了納米T i O2降解甲醛的能力,經過釩摻雜改性納米T i O2后其可見光范圍的吸收明顯增強； 0.5%F e+0.3%V復合摻雜改性甲醛的催化降解率可以達到85%。七、結 論綜上所述,納米二氧化鈦光催化涂料降解甲醛的技術研究為降解甲醛提供了一種全新的方法,是一種簡單、高效、環境友好的可行方法。目前二氧化鈦光催化涂料降解甲醛大多還處于實驗室研究階段,工業應用較少,且主要為間歇式實驗或低流速的連續流實驗。如何改良處理工藝、提高光催化能力、改良二氧化鈦負