活性碳纤维基TiO光催化剂的制备、表征与应用研究

• 作 者: 傅平丰
• 机 构: 中国科学院过程工程研究所
• 出 处: 中国科学院过程工程研究所
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 光催化降解

TiO2光催化剂的固定化是多相光催化技术应用的必要前提，而由固定化引起的传质限制和光催化活性降低一直是其应用的瓶颈问题，因此，吸附性负载型TiO2光催化剂的制备与应用研究已成为多相光催化领域的一个前沿研究方向。本论文以活性碳纤维为基体，分别采用分子吸附沉积法、液相沉积法、溶胶-凝胶法及粘结涂覆法于纤维丝上负载了TiO2薄膜，得到活性碳纤维基TiO2光催化剂(TiO2/ACFs)；采用SEM、XRD、BET、XPS、FTIR和UV-vis吸收光谱等表征手段，详细分析和研究了光催化剂TiO2/ACFs的形貌、结构、晶型组成、比表面积、TiO2负载量、表面性质、光催化活性和稳定性。设计了一种固定膜式光催化水质净化器，研究了光催化剂TiO2/ACFs的结构因素和反应器的操作因素对光催化效率的影响，并对吸附与光催化的协同作用进行了探讨。
本论文分别采用上述四种方法在活性碳纤维丝上大规模地负载出TiO2薄膜，薄膜厚度约为100～300nm，沉积的TiO2颗粒尺寸小于80nm，光催化剂的比表面积为150～600m2/g。除了溶胶-凝胶法外，其它三种方法制备的光催化剂TiO2/ACFs中，活性碳纤维丝之间没有填充TiO2颗粒，保留着大量的空隙，可于光催化剂内部形成一个三维立体结构的光催化空间。
TiO2薄膜在900℃下焙烧1.5h仍可保持均一的锐钛矿相结构。以分子吸附沉积法制备的光催化剂为对象，研究其在Ar气和空气中焙烧产物的TiO2晶型和晶粒尺寸，表明碳基体可扼制TiO2晶型从锐钛矿相向金红石相转变，并可扼制TiO2晶粒的生长。
经检测分析认为，在分子吸附沉积法制备的光催化剂中，TiO2薄膜与碳纤维表面之间呈紧密结合状，结合分子吸附沉积法的原理和活性碳纤维的微孔结构特征，认为两者之间形成了一种互插结构，可将两个固体表面紧密结合在一起。
以亚甲基蓝为模拟降解物，通过光催化降解过程表征了四种方法制备的光催化剂的光催化活性和稳定性，结果表明，当TiO2负载量相近时，按光催化活性高低排序，四种制备方法的顺序为：液相沉积法＞粘结涂覆法(用DegussaP25TiO2粉末)＞分子吸附沉积法＞溶胶-凝胶法。前三种方法制备的光催化剂经连续10次，每次90min的光催化降解操作后，亚甲基蓝去除率仍保持在90％以上，显示出很高的稳定性。
将粘结涂覆法制备的光催化剂TiO2/ACFs配置于固定膜型光催化水质净化器内，研究了光催化剂的动态吸附性能和各种因素对光催化效率的影响，结果表明，光催化剂TiO2/ACFs对亚甲基蓝具有较高的吸附容量和吸附速率；TiO2负载量和TiO2粉末粒径是决定光催化活性的主要因素；反应物的初始浓度和搅拌空气流量是影响光催化效率的主要操作因素。研究还表明，随着TiO2粉末粒径的减小，光催化剂的吸附性能和光催化活性都可大幅提高。与文献报道的不同光催化剂间的光催化活性对比表明，本研究用DegussaP25TiO2粉末涂覆的光催化剂TiO2/ACFs的光催化活性为DegussaP25TiO2粉末的2～3倍，利用吸附作用可快速降解低浓度污染物，是一种特别适合微污染水源深度净化的光催化剂。
通过分析光催化过程中吸附与光催化降解的互为促进的实验现象，提出了活性碳纤维吸附和TiO2光催化降解的协同作用模型，认为存在着一个良性循环过程，即基体吸附预富集→TiO2光催化降解→原位再生吸附能力→再吸附富集再降解。