CoCuMnOx/g-C3N4光催化降解气态甲苯的特性研究

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随着我国经济的快速发展,大气中挥发性有机物(VOCs)的污染正逐渐引起人们的关注。VOCs是光化学烟雾和PM2.5的前驱体,其苯系、醛类等有机物会严重危害人体健康,因此开展VOCs污染治理技术研究将有助于消除VOCs的空气污染和对人体健康的危害。光催化氧化是治理VOCs的一种经济有效的高级氧化技术,开发可见光照射下催化性能良好的VOCs光催化剂是该技术发展和实际应用的关键步骤,目前已成为光催化技术研究的一个热点。本实验采用共沉淀水热晶化法制备太阳能吸收材料CoCuMnOx,通过连续升温程序制备单一相石墨型氮化碳(g-C3N4),在此基础上制得二者的复合催化剂CoCuMnOx/g-C3N4。实验在自制间歇式反应器中分别以卤钨灯和太阳光为光源,考察了催化剂对气态甲苯的光催化降解活性;利用XRD,FT-IR,SEM,UV-vis DRS,XRF及BET等方式对反应前后的催化剂进行表征分析;通过自由基捕获实验和利用GC-MS测定中间产物,推测甲苯光催化降解的机理与途径。实验研究基础上,得出如下研究成果:(1)CoCuMnOx,g-C3N4和CoCuMnOx/g-C3N4复合催化剂在卤钨灯和太阳光照射下均有一定的光催化活性。通过表征分析,焙烧温度400℃、复合比例1%时的CoCuMnOx/g-C3N4催化剂晶体数量最多且平均晶粒尺寸最大(32.1nm);相较于CoCuMn Ox,CoCuMnOx/g-C3N4的禁带宽度由3.2eV降至2.9eV。(2)卤钨灯照射下,CoCuMnOx/g-C3N4光催化降解初始浓度为384mg/m3的气态甲苯的降解效率为63%,较纯CoCuMnOx效率提高15%;六次重复性实验后,甲苯的降解效率下降至48%。(3)太阳光照射下,CoCuMnOx/g-C3N4光催化降解初始浓度为384mg/m3的气态甲苯的降解效率为31%,较纯CoCuMnOx效率提升3%;五次重复实验后,甲苯降解效率下降至29%;甲苯的降解效率在相对湿度59%时最高,为34.1%,但降解率随酸度的增加而逐渐降低。(4)自由基捕获剂的加入证实光催化氧化过程中存在·OH、·O2-和h+等氧化性自由基且起主要作用的是·OH和·O2-。中间产物检测分析基础上,推测甲苯的降解首先从甲基上的氢开始,逐步氧化形成苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸等,然后·OH等继续攻击苯环而使其开环分解成较稳定的小分子化合物。论文研究工作将为VOCs的光催化降解技术研究奠定一定的理论基础,为室内和室外空气中VOCs光降解催化剂的研制提供一种新的思路和尝试。
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