CN104826484A

CN104826484A - 纳米TiO2/WO3复合光催化剂常温降解碳氢化合物

Info

Publication number: CN104826484A
Application number: CN201510136377.4A
Authority: CN
Inventors: 王丹; 龙佩青; 易志国
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2015-08-12

Abstract

本发明涉及一种TiO₂/WO₃复合光催化剂常温降解碳氢化合物(HC)技术。该TiO₂/WO₃复合光催化剂成本低、光催化活性高、稳定性好，能够在常温、模拟太阳光辐照下，高效光催化降解HC气体。同时该光催化剂很容易回收利用，在常温常压温和条件下消除大气中HC气体方面具有很好的应用前景。

Description

纳米TiO2/WO3复合光催化剂常温降解碳氢化合物

技术领域

本发明涉及一种纳米TiO₂/WO₃复合光催化剂常温降解碳氢化合物(HC)技术，属于无机纳米光催化材料领域。

背景技术

据中国环境监测总站统计，2013年至2014年北京的空气质量达到了“严重污染”。全国中东大部分地区也深受雾霾困扰，北京全市普遍长时间达到极重污染程度。2013年2月公布的《京津冀2013年元旦强霾污染事件过程分析》报告指出，此次强霾污染物的化学组成是英国伦敦1952年烟雾事件和上世纪40至50年代开始的美国洛杉矶光化学烟雾事件污染物的混合体，并叠加了中国特色的沙尘气溶胶。其中，机动车尾气排放的烯烃类碳氢化合物(HC)是污染物的主要成分之一。1955年美国洛杉矶发生的光化学烟雾事件造成65岁以上老人死亡400多人，数以万计的人倍受红眼、喉痛、脑闷等病状折磨，与此同时森林、草木、农作物业大面积受害；1970年东京发生的光化学烟雾事件是的全城受害6000人。这给我们敲响了警钟，如何通过科技手段治理降低大气中的HC污染物已是当前刻不容缓的紧要任务。

大气中的HC污染物具有种类多、浓度低、难吸附和十分稳定的特点，导致其极难被降解。目前消除环境中HC的主要方法有物理吸附法、热催化法、强氧化剂氧化法和光催化法。物理吸附法是采用活性炭和分子筛等对HC进行吸附，但是吸附量有限，而且在温度升高的情况下容易脱附。热催化法热处理温度一般在250℃左右，耗能较大，而且催化剂负载有贵金属，代价较大，不利于推广。强氧化法采用强氧化剂，容易对环境造成污染。因此，开发常温常压条件下针对HC进行有效降解的催化材料和技术是解决此瓶颈问题的有效途径之一。利用太阳能驱动的光催化方法是室温下降解HC的有效方案之一。目前国内外多采用TiO₂来进行光催化净化HC气体，但是由于TiO₂的带隙较宽，对太阳光的利用率较低，低于太阳光总能量的4％，因而开发高效、稳定的光催化剂具有重大意义。作为一种优良的窄带隙半导体，WO₃在太阳能电池和光解水方面有着大量的科学研究。将WO₃与TiO₂复合，可以明显提高光催化性能。迄今为止，WO₃/TiO₂复合光催化剂在光催化净化HC方面未见到任何形式的报道。

发明内容

本发明的目的在于将纳米TiO₂/WO₃复合光催化剂用于常温下光催化降解HC气体。

本发明提供了一种纳米TiO₂/WO₃复合光催化剂的用途，用于常温光催化降解HC气体。

根据本发明，所述的TiO₂/WO₃纳米复合光催化剂的尺寸优选在30nm以下，所述复合光催化剂的比表面积优选46.46-58.2m²/g，更优选为53.82m²/g；所述的TiO₂/WO₃纳米复合光催化剂组分配比为：TiO₂与WO₃的质量比范围为95:5-85:15。

根据本发明，所述HC气体为挥发性HC气体污染物，优选为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙二烯。所述光催化降解HC气体的浓度处于200ppm以下，其中HC气体为单一组分HC气体或多种HC气体组成的混合气。

附图说明

图1为TiO₂/WO₃复合光催化剂的吸收光谱图。

图2为TiO₂/10wt％WO₃复合光催化剂的透射电镜图(a)和高分辨透射电镜图(b)。

图3为不同组分含量的TiO₂/WO₃复合光催化剂在模拟太阳光固定床条件下光催化降解乙烷的数据图。

图4为TiO₂和TiO₂/10wt％WO₃复合催化剂在模拟太阳光固定床条件下光催化降解丙烷的数据图。

图5为TiO₂和TiO₂/10wt％WO₃复合催化剂在模拟太阳光固定床条件下光催化降解乙烯的数据图。

图6为TiO₂/10wt％WO₃复合催化剂在模拟太阳光流动床条件下光催化降解乙烷的数据图。

图7为TiO₂/10wt％WO₃复合催化剂在模拟太阳光流动床条件下光催化降解丙烷的数据图。

图8为TiO₂/10wt％WO₃复合催化剂在模拟太阳光流动床条件下光催化降解乙烯的数据图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明的技术方案和效果。

实施例1：

TiO₂/WO₃复合光催化剂的制备：

将1份钛酸四丁酯加入到10份的乙二醇中并伴随搅拌，然后再将4份柠檬酸加入到上述乙二醇中，继续搅拌形成溶胶。将该溶胶加热到523K形成干凝胶，而后将其转移到氧化铝坩埚中，放置到马弗炉中823K热处理10小时，得到TiO₂纳米粉体，将该粉体研磨待用。

分别将按一定质量比称取的钨酸铵溶解于300mL去离子水中，待完全溶解后再加入一定量已经制备好的TiO₂粉末，超声分散30min，磁力搅拌12h后，加热蒸发去多余的水分后，转移到氧化铝坩埚中，450℃焙烧90min后自然降温，分别得到TiO₂/5wt％WO₃、TiO₂/8wt％WO₃、TiO₂/10wt％WO₃、TiO₂/12wt％WO₃、TiO₂/15wt％WO₃复合光催化剂，研磨待用。

实施例2：固定床光催化降解乙烷气体

本发明的光催化剂固定床降解乙烷气体的光催化性能测试，在常温、模拟太阳光下进行。实施过程如下：

分别称取实施例1制备的TiO₂/x wt％WO₃催化剂0.2g，平铺到体积为450mL的光反应器底部，将反应器密封。用气体微量提取器向光反应器中注入90L高纯乙烷气体。将反应器避光保持1小时，气体达到吸附脱附平衡，之后开启300WXe灯光源。每隔5～10分钟取样，采用气相色谱仪检测反应器中乙烷气体浓度的变化。

测试结果如图3所示，在模拟太阳光的辐照下，TiO₂/x wt％WO₃催化剂表现出非常良好的光催化降解乙烷能力，而且WO₃的担载量对TiO₂/x wt％WO₃的光催化活性有较大影响。其中TiO₂/10wt％WO₃光催化剂表现出优异的光催化降解乙烷能力，能在15分钟内将200ppm的乙烷气体完全降解，具有很大的实际应用价值。

实施例3：固定床光催化降解丙烷气体

称取实施例1制备的TiO₂/10wt％WO₃催化剂0.2g，平铺到体积为450mL的光反应器底部，将反应器密封。用气体微量提取器向光反应器中注入90L高纯丙烷气体。将反应器避光保持1小时，气体达到吸附脱附平衡，之后开启300WXe灯光源。每隔3～10分钟取样，采用气相色谱仪检测反应器中乙烷气体浓度的变化。

测试结果如图所示，TiO₂/10wt％WO₃催化剂表现出优异的丙烷降解能力。在9分钟之内即可把200ppm的丙烷完全降解。

实施例4：固定床光催化降解乙烯气体

称取实施例1制备的TiO₂/10wt％WO₃催化剂0.2g，平铺到体积为450mL的光反应器底部，将反应器密封。用气体微量提取器向光反应器中注入90L高纯乙烯气体。将反应器避光保持1小时，气体达到吸附脱附平衡，之后开启300WXe灯光源。每隔4分钟取样，采用气相色谱仪检测反应器中乙烯气体浓度的变化。

测试结果如图所示，TiO₂/10wt％WO₃催化剂表现出优异的乙烯降解能力。在8分钟之内即可把200ppm的乙烯完全降解。

实施例5：流动床光催化降解乙烷气体

本发明的光催化剂流动床光催化降解乙烷气体的光催化性能测试，在常温、模拟太阳光下进行。实验过程如下：

将实施例1中制备的TiO₂/10wt％WO₃复合光催化剂填充到体积尺寸为40mm*30mm*1mm的微型石英光反应器中，将气体浓度配比约为：78％N₂、22％O₂和85ppm乙烷的混合气通入石英光反应器，采用300W Xe灯为光源，控制气体流速，并用气相色谱仪在线检测乙烷浓度的变化。

测试结果如图6所示，TiO₂/10wt％WO₃复合光催化剂在流动床模式下，仍然展现出优异的光催化降解乙烷活性，且光催化活性稳定，在实验36个小时后仍具有很强的光催化降解乙烷的能力。实施例6：流动床光催化降解丙烷气体

本发明的光催化剂流动床光催化降解丙烷气体的光催化性能测试，在常温、模拟太阳光下进行。实验过程如下：

将实施例1中制备的TiO₂/10wt％WO₃复合光催化剂填充到体积尺寸为40mm*30mm*1mm的微型石英光反应器中，将气体浓度配比约为：78％N₂、22％O₂和200ppm丙烷的混合气通入石英光反应器，采用300W Xe灯为光源，控制气体流速，并用气相色谱仪在线检测丙烷浓度的变化。

测试结果如图7所示，TiO₂/10wt％WO₃复合光催化剂在流动床模式下，仍然展现出优异的光催化降解丙烷活性，且光催化活性稳定，在实验30个小时后仍具有很强的光催化降解丙烷的能力。实施例7：流动床光催化降解乙烯气体

本发明的光催化剂流动床光催化降解乙烯气体的光催化性能测试，在常温、模拟太阳光下进行。实验过程如下：

将实施例1中制备的TiO₂/10wt％WO₃复合光催化剂填充到体积尺寸为40mm*30mm*1mm的微型石英光反应器中，将气体浓度配比约为：78％N₂、22％O₂和210ppm乙烯的混合气通入石英光反应器，采用300W Xe灯为光源，控制气体流速，并用气相色谱仪在线检测乙烯浓度的变化。

测试结果如图5所示，TiO₂/10wt％WO₃复合光催化剂在流动床模式下，仍然展现出优异的光催化降解乙烯活性，且光催化活性稳定，在实验40个小时后仍具有很强的光催化降解乙烯的能力。实验表明，TiO₂/WO₃复合光催化剂在光催化降解HC气体方面具有很好的光催化活性和稳定性，在常温条件下光催化降解HC方面具有非常好的推广应用价值。

Claims

1.TiO₂/WO₃纳米复合光催化剂的用途，其用于常温环境中HC气体的光催化降解。

2.根据权利要求1所述的TiO₂/WO₃复合光催化剂的用途，其特征在于：TiO₂/WO₃复合光催化剂在常温下光催化降解单一组分HC气体或多种HC气体组成的混合气。

3.根据权利要求1所述的TiO₂/WO₃复合光催化剂的用途，其特征在于：所制备的TiO₂/WO₃纳米复合光催化剂尺寸在30nm以下，所述复合光催化剂的比表面积为46.46-58.2m²/g，优选为53.82m²/g。

4.根据权利要求1所述的TiO₂/WO₃复合光催化剂的用途，其特征在于：所述的TiO₂/WO₃纳米复合光催化剂组分配比为：TiO₂与WO₃的质量比范围为95:5-85:15。