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基本信息

項(xiàng)目名稱：
光電催化降解氣相中丙酮的研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本作品大幅度提高催化劑活性和效率，解決催化劑反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和催化劑定技術(shù)的難題，并促使光電協(xié)同催化技術(shù)在處理室內(nèi)空氣污染領(lǐng)域的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用.利用半導(dǎo)體材料的光催化特性以及空氣陰極產(chǎn)生過(guò)氧化氫從而提供降解有機(jī)物的氫氧自由基的連續(xù)來(lái)源,用電化學(xué)手段分離光生電子和空穴,與光陽(yáng)極相配的空氣陰極將利用電子還原生成的過(guò)氧化氫在光的輻射下產(chǎn)生自由基，將使光催化活性和量子效率的大大提高。并采用固體電解質(zhì)，使反應(yīng)可以在常規(guī)電壓下進(jìn)行。從而達(dá)到快速除去空氣中低濃度的有機(jī)污染物的目的.
詳細(xì)介紹：
工作原理：本作品利用半導(dǎo)體材料的光催化特性以及空氣陰極產(chǎn)生過(guò)氧化氫從而提供降解有機(jī)物的氫氧自由基的連續(xù)來(lái)源,用電化學(xué)手段分離光生電子和空穴,與光陽(yáng)極相配的空氣陰極將利用電子還原生成的過(guò)氧化氫在光的輻射下產(chǎn)生自由基，將使光催化活性和量子效率的大大提高。并采用固體電解質(zhì)，使反應(yīng)可以在常規(guī)電壓下進(jìn)行。從而達(dá)到快速除去空氣中低濃度的有機(jī)污染物的目的. 作品的創(chuàng)新點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì): 1.采用表面光滑不銹鋼材料作為反應(yīng)容器，以做到反彈光子，減少光能的損失。 2.采用光電的協(xié)同催化來(lái)提高光催化活性和量子效率，即采用以導(dǎo)電材料負(fù)載具有光催化性能納米二氧化鈦?zhàn)鳛殛?yáng)極，以及具有把氧電催化還原成過(guò)氧化氫性能的材料作為陰極，固體電解質(zhì)分隔陰極和陽(yáng)極，形成三明治的結(jié)構(gòu)。在光電協(xié)同催化下，陽(yáng)極和陰極同時(shí)降解揮發(fā)性有機(jī)物，以提高降解的量子效率和時(shí)空效率。 3.采用高吸附能力的載體(活性碳纖維)，以使污染物被迅速吸附到催化劑表面，縮短了傳質(zhì)的時(shí)間，加快了反應(yīng)速率。 4.施加了偏壓而使得及時(shí)導(dǎo)走電子，加強(qiáng)了載體的吸附能力的再生能力。 推廣前景: 本作品大幅度提高催化劑活性和效率，解決催化劑反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和催化劑定技術(shù)的難題，并促使光電協(xié)同催化技術(shù)在處理室內(nèi)空氣污染領(lǐng)域的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用.

作品圖片

  • 光電催化降解氣相中丙酮的研究
  • 光電催化降解氣相中丙酮的研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的：室內(nèi)空氣污染是目前急待解決的問(wèn)題，本文提出光電催化方法來(lái)凈化室內(nèi)空氣。 基本思路：設(shè)計(jì)以固態(tài)聚合物電解質(zhì)為特征的光電催化反應(yīng)器降解揮發(fā)性有機(jī)物，預(yù)期選定丙酮作為目標(biāo)物。 設(shè)計(jì)以活性碳纖維負(fù)載具有光催化性能的復(fù)合半導(dǎo)體超細(xì)粉體作為陽(yáng)極和陰極，固態(tài)聚合物電解質(zhì)分隔陰極和陽(yáng)極。在光電協(xié)同催化下，陽(yáng)極和陰極同時(shí)降解揮發(fā)性有機(jī)物，以提高降解的量子效率和時(shí)空效率。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

科學(xué)性先進(jìn)性：最近科學(xué)家大量研究結(jié)果表明光電催化對(duì)液相有機(jī)污染物的降解相比光催化或電催化有更好的效果，但用光電催化法處理氣相污染卻研究很少，本文提出用光電催化法降解空氣中的污染物。 創(chuàng)新之處：1.采用固體電解質(zhì)。2.光電催化法降解氣相污染物。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

對(duì)解決室內(nèi)空氣污染問(wèn)題有著很大的進(jìn)展和實(shí)際意義，比如解決新裝修房間的有毒氣味，公共場(chǎng)所的空氣凈化問(wèn)題。

學(xué)術(shù)論文摘要

用光電協(xié)同催化法降解丙酮?dú)怏w，光電催化裝置由兩電極和固體電解質(zhì)形成通路結(jié)構(gòu)，光源由波長(zhǎng)為253.7nm，功率為9W的紫外燈提供。對(duì)比了光電協(xié)同催化法、光催化法和電催化法對(duì)氣相中丙酮的降解效果,考察了初始濃度、外加電壓和相對(duì)濕度對(duì)降解丙酮效率的影響。結(jié)果表明：同等條件下，光電催化法降解丙酮的效率是光催化的1.79倍，是電催化的3.08倍，其反應(yīng)速率常數(shù)是光催化與電催化的反應(yīng)速率之和的1.94倍。當(dāng)外加電壓為3伏、降解時(shí)間為80分鐘，反應(yīng)器中空氣的相對(duì)濕度為60%、初始濃度小于476.25mg/m3時(shí)，降解丙酮的效率達(dá)到79.51%。通過(guò)氣相色譜分析降解產(chǎn)物，結(jié)果只有未降解的丙酮。

獲獎(jiǎng)情況

一、發(fā)表的文章： 1.《活性碳纖維負(fù)載納米二氧化鈦對(duì)氣相中丙酮的光催化降解》已經(jīng)在《化學(xué)與生物工程》的2007年第十一期發(fā)表。 2.《納米TiO2 光催化劑可見(jiàn)光化的最新進(jìn)展》已發(fā)表于《材料導(dǎo)報(bào)網(wǎng)刊》2006年第9期。（見(jiàn)附件） 二、相關(guān)發(fā)明專利： 《一種發(fā)光二極管為光源的光催化空氣凈化器》．申請(qǐng)?zhí)?200810199122.2 三、獲得的獎(jiǎng)勵(lì)： 1．本作品獲得第三屆“挑戰(zhàn)杯”本校課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽暨第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽選拔賽特等獎(jiǎng)。 2.本作品獲得第十屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)

鑒定結(jié)果

參考文獻(xiàn)

[1] 竹濤 李堅(jiān) 梁文俊 等.非平衡等離子體聯(lián)合技術(shù)降解丙酮?dú)怏w[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(11):2299-2304. [2] 曹曉強(qiáng) 黃學(xué)敏 馬廣大.真菌過(guò)濾塔凈化含苯、丙酮廢氣影響因素的研究[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(8):1873-1877. [3] 褚海林 毛本將 楊睿戇 等.電子束輻照分解丙酮的初步實(shí)驗(yàn)研究[J].化工環(huán)保,2006, 26(3):190-193. [5] 潘湛昌．用于降解有機(jī)污染物的光電催化反應(yīng)器[P]．CN Pat，ZL200420093650.7,2004-07

同類課題研究水平概述

目前，解決室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題所采用的空氣凈化技術(shù)豐要有過(guò)濾、吸附、靜電、負(fù)離子、低溫等離子體、光催化、吸附光催化、臭氧、紫外線殺菌以及膜分離等技術(shù)。這些傳統(tǒng)的VOCS控制技術(shù)，均存在處理低濃度VOCS效率低、使用范圍較窄、投資費(fèi)用高等局限性。一些經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)境友好的新技術(shù):微波催化氧化法、脫基吸收法、生物過(guò)濾法、納米二氧化鈦(Ti02)光催化法，納米二氧化鈦(Ti02)光電協(xié)同催化法[等也越來(lái)越多吸引人們的注意。由于光電協(xié)同催化技術(shù)在常溫常壓的條件下，就能夠使反應(yīng)順利進(jìn)行，比單獨(dú)光催化法的降解效果好，而且能將空氣中的低濃度的有害氣體和異味徹底分解為無(wú)臭、無(wú)害產(chǎn)二氧化鈦光催化技術(shù)，以及吸附與光催化技術(shù)的結(jié)合等成為室內(nèi)空氣污染控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。然而由于納米二氧化鈦(Ti02)催化劑難以重復(fù)利用，光能利用率不高，光催化活性和量子效率不高，處理污染物的速率慢等問(wèn)題，限制了納米二氧化鈦(Ti02)光催化新技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。 針對(duì)以上幾種降解法的不足之處，本文用以下幾種方法解決。 1.針對(duì)納米二氧化鈦(Ti02)催化劑難以重復(fù)利用問(wèn)題，本文采用導(dǎo)電且有良好吸附性能的材料負(fù)載納米二氧化鈦(Ti02)，形成不易脫落，且納米二氧化鈦(Ti02)的空穴利用率高，空穴的再生能力強(qiáng)，從而大大提高催化劑的重復(fù)使用性能。 2.針對(duì)光催化活性和量子效率不高的問(wèn)題，本文采用光電的協(xié)同催化來(lái)提高光催化活性和量子效率，即采用以導(dǎo)電材料負(fù)載具有光催化性能納米二氧化鈦?zhàn)鳛殛?yáng)極，以及具有光催化性能的納米二氧化鈦半導(dǎo)體和具有把氧電催化還原成過(guò)氧化氫性能的材料作為陰極，固體電解質(zhì)分隔陰極和陽(yáng)極，形成三明治的結(jié)構(gòu)。在光電協(xié)同催化下，陽(yáng)極和陰極同時(shí)降解揮發(fā)性有機(jī)物，以提高降解的量子效率和時(shí)空效率。 3.針對(duì)反應(yīng)的速率慢的問(wèn)題，本文提出采用高吸附能力的載體，以使污染物被迅速吸附到催化劑表面，縮短了傳質(zhì)的時(shí)間，加快了反應(yīng)速率，另外，因?yàn)槭┘恿似珘?，所以能夠及時(shí)地導(dǎo)走電子，加強(qiáng)了載體的吸附能力的再生能力。 本文利用半導(dǎo)體材料的光催化特性以及空氣陰極產(chǎn)生過(guò)氧化氫從而提供氫氧自由基的連續(xù)來(lái)源解氣相丙酮。用電化學(xué)手段分離光生電子和空穴，與光陽(yáng)極相配的空氣陰極將利用電子還原生成的過(guò)氧化氫在光的輻射下產(chǎn)生自由基，將使光催化活性和量子效率的大大提高。并采用固體電質(zhì)，使反應(yīng)可以在常規(guī)電壓下進(jìn)行。
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