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光催化研究至今已有四十年的历史,虽然在基础理论和应用研究等方面取得了很多进展,但要实现产业化仍然存在许多困难。本文针对光催化剂固载技术发展缓慢、量子效率偏低以及光谱响应范围较窄等问题,采用高孔隙开孔泡沫铝为催化剂载体,通过溶胶凝胶法负载制备TiO2薄膜,并通过泡沫铝表面改性、离子掺杂等手段以提高泡沫铝基纳米TiO2催化活性,主要结果如下:
采用碱溶液腐蚀、预氧化以及Al2O3过渡层等方法对泡沫铝改性。引入Al2O3过渡层的样品负载TiO2量最大,薄膜分布最为均匀。通过在TiO2溶胶中添加聚乙二醇(PEG400),可以调控负载薄膜的结构形貌。动态光催化降解甲醛实验发现,同步引入Al2O3过渡层以及PEG400修饰型TiO2薄膜可以实现最优的催化活性。
通过在溶胶中添加吐温80,可获得平滑、无裂纹、厚度达3.5μm的介孔TiO2薄膜。该薄膜在液相降解亚甲基蓝溶液中表现出了优异的吸附性能以及光催化降解能力。动态光催化降解甲醛实验中,对甲醛的降解转化率高达99.3％。可以判定:介孔通道的引入为解决薄膜材料因物质扩散受阻而使光催化性能下降的难题提供了新途径。
通过Ag离子掺杂以及Pluronic F127对泡沫铝负载TiO2薄膜进行修饰。大量Ag以单质形式分布在泡沫铝表面,少量分布在介孔TiO2晶界处,从而在TiO2薄膜表面以及复合材料界面处形成大量电子陷阱,促进了光生电子空穴的分离。液相降解亚甲基蓝的实验中,Ag修饰泡沫铝负载TiO2介孔薄膜的反应速率为未掺杂的近2倍。
通过优化紫外光源与泡沫铝承载表面积等参数,针对泡沫铝三维网状构型特点,吸收现有光催化反应器的设计理念,设计并确定了泡沫铝基纳米TiO2光催化空气净化装置。该装置综合了壁流式与层格式反应器的优势,在室内局部空间(1m3)72h甲醛降解转化率超过94.68%。