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基本信息

項目名稱：
光電催化降解氣相中丙酮的研究
小類：
能源化工
簡介：
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)生過氧化氫從而提供降解有機(jī)物的氫氧自由基的連續(xù)來源,用電化學(xué)手段分離光生電子和空穴,與光陽極相配的空氣陰極將利用電子還原生成的過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)生過氧化氫從而提供降解有機(jī)物的氫氧自由基的連續(xù)來源,用電化學(xué)手段分離光生電子和空穴,與光陽極相配的空氣陰極將利用電子還原生成的過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: 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)鳛殛枠O，以及具有把氧電催化還原成過氧化氫性能的材料作為陰極，固體電解質(zhì)分隔陰極和陽極，形成三明治的結(jié)構(gòu)。在光電協(xié)同催化下，陽極和陰極同時降解揮發(fā)性有機(jī)物，以提高降解的量子效率和時空效率。 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)的時間，加快了反應(yīng)速率。 4.施加了偏壓而使得及時導(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題，本文提出光電催化方法來凈化室內(nèi)空氣。 基本思路：設(shè)計以固態(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)粉體作為陽極和陰極，固態(tài)聚合物電解質(zhì)分隔陰極和陽極。在光電協(xié)同催化下，陽極和陰極同時降解揮發(fā)性有機(jī)物，以提高降解的量子效率和時空效率。

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)用價值和現(xiàn)實(shí)意義

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

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)，光源由波長為253.7nm，功率為9W的紫外燈提供。對比了光電協(xié)同催化法、光催化法和電催化法對氣相中丙酮的降解效果,考察了初始濃度、外加電壓和相對濕度對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、降解時間為80分鐘，反應(yīng)器中空氣的相對濕度為60%、初始濃度小于476.25mg/m3時，降解丙酮的效率達(dá)到79.51%。通過氣相色譜分析降解產(chǎn)物，結(jié)果只有未降解的丙酮。

獲獎情況

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 光催化劑可見光化的最新進(jìn)展》已發(fā)表于《材料導(dǎo)報網(wǎng)刊》2006年第9期。（見附件） 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?zhí)?200810199122.2 三、獲得的獎勵： 1．本作品獲得第三屆“挑戰(zhàn)杯”本校課外學(xué)術(shù)科技作品競賽暨第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽選拔賽特等獎。 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)科技作品競賽一等獎

鑒定結(jié)果

參考文獻(xiàn)

[1] 竹濤 李堅 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,2008,28(11):2299-2304. [2] 曹曉強(qiáng) 黃學(xué)敏 馬廣大.真菌過濾塔凈化含苯、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)問題所采用的空氣凈化技術(shù)豐要有過濾、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臭、無害產(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.針對納米二氧化鈦(Ti02)催化劑難以重復(fù)利用問題，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.針對光催化活性和量子效率不高的問題，本文采用光電的協(xié)同催化來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)鳛殛枠O，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氧化氫性能的材料作為陰極，固體電解質(zhì)分隔陰極和陽極，形成三明治的結(jié)構(gòu)。在光電協(xié)同催化下，陽極和陰極同時降解揮發(fā)性有機(jī)物，以提高降解的量子效率和時空效率。 3.針對反應(yīng)的速率慢的問題，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)的時間，加快了反應(yīng)速率，另外，因為施加了偏壓，所以能夠及時地導(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)生過氧化氫從而提供氫氧自由基的連續(xù)來源解氣相丙酮。用電化學(xué)手段分離光生電子和空穴，與光陽極相配的空氣陰極將利用電子還原生成的過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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