CN110646562A - 一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法 - Google Patents

一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法 Download PDF

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CN110646562A CN201910926065.1A CN201910926065A CN110646562A CN 110646562 A CN110646562 A CN 110646562A CN 201910926065 A CN201910926065 A CN 201910926065A CN 110646562 A CN110646562 A CN 110646562A
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Abstract

本发明公开了一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，运用基于密度泛函吸附模拟和催化反应机理的理论计算与分析方法辅助光催化降解实验，研究TiO2光催化降解气态污染物的过程中受湿度影响的机理，包括以下步骤：研究湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响实验；模拟在不同水分子数量作用下气态污染物在TiO2表面的吸附过程；分析H2O分子产生羟基自由基氧化气态污染物的光催化反应机理。本发明采用光催化实验与模拟计算和理论分析相结合的方式，从吸附和催化反应的角度，结合光催化降解实验，多角度揭示了湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响机理，为光催化氧化技术的实际应用奠定理论基础。

Description

一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法
技术领域
本发明涉及环境化学技术领域，具体涉及一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，更具体涉及一种从Materials Studio软件模拟水分子对气态污染物在二氧化钛(TiO2)光催化剂表面的吸附行为、光催化反应机理与光催化实验的多角度，研究环境湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响机理。
背景技术
由于大量气态污染物的不达标排放，造纸行业面临巨大的环境挑战，其中总挥发性有机物(TVOC)、硫化氢(H2S)和甲醛(HCHO)等超标严重。因此，如何减少气态污染物的排放对造纸工业是一项重要的环保问题。光催化氧化技术由于具有成本低、效率高、二次污染较少等优点，而被认为是一种具有前景的可替代策略。TiO2由于其稳定性、低毒性、耐腐蚀性和低成本，已成为广泛使用的半导体光催化剂。
目前，光催化技术在实验室中已经得到了大量的研究，但是长期以来在实际应用中存在一些问题，其中环境湿度是影响光催化技术应用的重要因素之一。研究环境湿度对光催化整体脱除性能的影响，对光催化技术的实际应用具有重要意义。虽然众多学者开展了对湿度影响的研究，但其影响的本质科学原理研究仍然缺乏。为了完善理论研究的不足，运用密度泛函理论(DFT)模拟气态污染物在锐钛矿TiO2催化剂最常暴露的(101)表面的吸附行为，对研究催化反应机理，从理论角度解释环境湿度对光催化降解的影响具有重要意义。综合光催化实验降解结果、吸附模拟和催化反应分析，多角度的研究将有助于全面了解湿度对光催化降解气态污染物的影响机理。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，利用DFT模拟气态污染物在TiO2表面的吸附行为，研究催化反应机理，从分子原子水平分析水分子对TiO2光催化降解气态污染物的影响机理，为揭示环境湿度影响光催化氧化行为的作用机制以及光催化技术的实际应用奠定理论基础。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于吸附模拟和催化机理揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，包括以下步骤：
步骤S1、通过研究湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响实验，得出气态污染物的光催化降解效率受湿度变化的影响规律；该步骤具体如下：
分别从HCHO溶液瓶、C6H6溶液瓶的顶部空间、与H2S、N2标气瓶连接的配气系统中提取初始浓度为1.0±0.5ppm的气态HCHO、C6H6和H2S，注入到负载有TiO2胶体的光催化系统中，其中TiO2胶体的固含量为30wt％，平均粒径为10nm；通过加湿器调节环境湿度范围为33-60％，将环境温度控制在30℃左右；在不同的湿度下，打开紫外灯，开始光催化氧化降解实验，每4-6min记录一次反应物浓度随时间变化的实验数据；根据光催化实验结果总结得出：在环境湿度为33-60％的范围内，TiO2光催化降解HCHO、C6H6、H2S的过程中，光催化降解效率受湿度变化的影响规律；
步骤S2、通过模拟在不同水分子数量作用下气态污染物在TiO2表面的吸附过程，得出气态污染物的吸附能力受湿度变化的影响规律；该步骤具体如下：
用Materials Studio材料模拟软件构建由72个原子组成的锐钛矿型TiO2(101)的周期性表面模型，其尺寸为
Figure BDA0002218953750000031
为尽量减少相邻周期之间的相互作用，采用
Figure BDA0002218953750000032
的真空层构建表面模型；采用DFT方法对锐钛矿型TiO2(101)的表面模型进行几何优化以获得稳态结构；
构建HCHO、C6H6、H2S、H2O分子结构模型并用DFT方法进行几何优化，确保分子能量达到平衡状态；
分别固定HCHO、C6H6、H2S的分子数量为1，在不同n(H2O)分子数量的作用下，其中n＝0、1、2、3......，采用DFT方法分别研究HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)与TiO2(101)表面稳态结构的相互作用能和相互作用方式，分析HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面稳态结构的选择吸附位、吸附类型和吸附构型；并根据计算得出的吸附能大小判断不同HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)吸附构型发生的可能性，比较这些吸附构型的稳定性，考察HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附能力及其强弱，确定不同H2O分子数量作用下HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附最稳态；根据不同H2O分子数量下HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附最稳态所对应的吸附能大小，总结出在不同H2O分子数量的作用下，HCHO、C6H6、H2S在TiO2(101)表面的吸附能力受湿度变化的影响规律；
对步骤S2所构建的锐钛矿型TiO2(101)表面模型，HCHO、C6H6、H2S、H2O分子结构模型，以及不同H2O分子数量作用下HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面稳态吸附构型的几何优化，均在基于DFT方法的Materials Studio软件的CASTEP模块中完成，且选取广义梯度近似GGA/PBE函数作为交换相关函数。
步骤S3、通过分析H2O分子产生羟基自由基氧化气态污染物的光催化反应机理，得出气态污染物的光催化反应过程受湿度变化的影响规律；该步骤具体如下：
根据H2O分子产生羟基自由基氧化HCHO、C6H6、H2S分子的光催化反应机理，分析光催化氧化HCHO、C6H6、H2S的过程中对H2O分子产生羟基自由基的需求量，探讨环境中的水分含量与光催化氧化HCHO、C6H6、H2S过程中对H2O分子产生羟基自由基的需求量之间的关系，并考虑光催化氧化HCHO、C6H6、H2S的过程中所产生中间产物对光催化氧化的影响，总结出在不同水分含量下，HCHO、C6H6、H2S分子在TiO2催化剂表面的光催化反应过程受湿度变化的影响规律。
步骤S4、综合以上步骤S1、S2、S3中的光催化实验结果、DFT吸附模拟结果、光催化反应机理分析结果，确定湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响机理。
本发明利用Materials Studio材料模拟软件建立HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)结构在TiO2(101)表面的吸附模型，计算其表面吸附能，并对涉及H2O分子产生羟基自由基的光催化反应机理进行理论分析，结合光催化实验结果，多角度揭示了湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响机理，为光催化氧化技术的实际应用奠定理论基础。
利用本发明中的基于吸附模拟和催化反应机理的理论计算和理论分析方法，对TiO2光催化降解气态污染物受湿度影响开展机理研究，与传统的单一实验方法相比，具有以下显著的优越性：
由于光催化降解过程包括吸附和催化反应两个过程，首先，从吸附的角度出发，可以从分子原子水平研究不同H2O分子数量下参与吸附过程的气态污染物的表面性能，直观地理解气态污染物吸附在催化剂表面的形态、作用方式、吸附强弱；其次，从催化反应的角度出发，可以分析光催化氧化气态污染物的过程对H2O分子产生羟基自由基的需求量，探讨实际环境中的水含量与光催化氧化气态污染物对H2O分子产生羟基自由基的需求关系。采用光催化实验与模拟计算和理论分析相结合的方式，从吸附和催化反应的角度，结合光催化降解实验，多角度揭示环境湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响机理。
附图说明
图1是基于吸附模拟和催化反应机理揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体的研究流程图；
图2a是不同相对湿度(RH)条件下TiO2光催化降解HCHO的动态曲线图；
图2b是不同相对湿度(RH)条件下TiO2光催化降解C6H6的动态曲线图；
图2c是不同相对湿度(RH)条件下TiO2光催化降解H2S的动态曲线图；
图3a是没有H2O分子作用下的HCHO在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图；
图3b是一个H2O分子数量作用下的HCHO在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图一；
图3c是一个H2O分子数量作用下的HCHO在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图二；
图3d是两个H2O分子数量作用下的HCHO在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图一；
图3e是两个H2O分子数量作用下的HCHO在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图二；
图3f是三个H2O分子数量作用下的HCHO在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图；
图4a是四个H2O分子作用下的HCHO在TiO2(101)表面的优化吸附结构，考虑第四个H2O分子的初始位置：同一Ti5c位稍微远离HCHO分子示意图；
图4b是四个H2O分子作用下的HCHO在TiO2(101)表面的优化吸附结构，考虑第四个H2O分子的初始位置：同一Ti5c位靠近HCHO分子示意图；
图5a是没有H2O分子作用下的C6H6在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图；
图5b是一个H2O分子数量作用下的C6H6在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图一；
图5c是一个H2O分子数量作用下的C6H6在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图二；
图5d是两个H2O分子数量作用下的C6H6在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图一；
图5e是两个H2O分子数量作用下的C6H6在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图二；
图5f是三个H2O分子数量作用下的C6H6在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图；
图6a是没有H2O分子作用下的H2S在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图；
图6b是一个H2O分子数量作用下的H2S在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图一；
图6c是一个H2O分子数量作用下的H2S在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图二；
图6d是两个H2O分子数量作用下的H2S在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图一；
图6e是两个H2O分子数量作用下的H2S在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图二；
图6f为三个H2O分子数量作用下的H2S在TiO2(101)表面的优化吸附结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例提供了一种基于吸附模拟和催化机理揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、通过研究湿度对TiO2光催化降解HCHO的影响实验，得出HCHO的光催化降解效率受湿度变化的影响规律；
从HCHO溶液瓶的顶部空间中提取初始浓度为1.0±0.5ppm的气态HCHO，注入到负载有TiO2胶体的光催化系统中，其中TiO2胶体的固含量为30wt％，平均粒径为10nm。通过加湿器调节环境湿度范围为33-60％，将环境温度控制在30℃左右。在不同的湿度下，打开紫外灯，开始光催化氧化降解实验，每5min记录一次反应物浓度随时间变化的实验数据。根据图2a的光催化实验结果总结得出，在环境湿度为33-60％的范围内，随着湿度的上升，TiO2光催化降解HCHO基本上是被抑制的。
步骤二、通过模拟在不同水分子数量作用下HCHO在TiO2表面的吸附过程，得出HCHO的吸附能力受湿度变化的影响规律；
用Materials Studio材料模拟软件构建由72个原子组成的锐钛矿型TiO2(101)的周期性表面模型，其尺寸为
Figure BDA0002218953750000071
为尽量减少相邻周期之间的相互作用，采用的真空层构建表面模型。所建的表面模型包含18层原子，其中表面的12层原子允许在几何优化过程中弛豫，而底部6层原子的笛卡尔坐标被固定，在几何优化过程中不允许进行弛豫。采用DFT方法对锐钛矿型TiO2(101)的表面模型进行几何优化以获得稳态结构。
构建HCHO、H2O分子结构模型并用DFT方法进行几何优化，确保分子能量达到平衡状态。
固定HCHO分子数量为1，在不同n(H2O)分子数量的作用下，其中n＝0、1、2、3......，采用DFT方法构建HCHO/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附构型并计算吸附能，如图3和图4所示。吸附能的负值越大表明吸附构型更稳定、更容易形成。吸附能的计算公式如下：
Eads＝E[(H2O)n+slab+pollutant]-E[(H2O)n+slab]-E(pollutant) (1)
式中，E[(H2O)n+slab+pollutant]、E[(H2O)n+slab]和E(pollutant)分别是n(H2O)分子和吸附在TiO2(101)表面的气态污染物分子系统、吸附在表面的n(H2O)分子系统、以及气态污染物分子的总吸附能[eV]，其中n＝0、1、2、3、4。
对于HCHO分子，在没有H2O分子的作用下，如图3a所示，吸附能为-0.809eV；在一个H2O分子的作用下，如图3b和3c所示，图3b的吸附构型更稳定，吸附能为-0.899eV；在两个H2O分子的作用下，如图3d和3e所示，图3d的吸附构型更稳定，吸附能为-0.844eV；在三个H2O分子的作用下，如图3f所示，吸附构型只有一种，吸附能为-0.906eV；在四个H2O分子的作用下，如图4a和4b所示，图4a的吸附构型更稳定，吸附能为-0.791eV。对比每种H2O分子数量的情况下吸附最稳定的吸附能大小，总结得出，随着H2O分子数量的增加，由于HCHO分子与H2O分子发生竞争吸附，HCHO分子在TiO2催化剂表面的吸附逐渐减弱。
对步骤二所构建的锐钛矿型TiO2(101)表面模型，HCHO、H2O分子结构模型，以及不同H2O分子数量作用下HCHO/n(H2O)在TiO2(101)表面稳态吸附构型几何优化，均在基于DFT方法的Materials Studio软件的CASTEP模块中完成，且选取广义梯度近似GGA/PBE函数作为交换相关函数，平面波动能的截止能为340eV，自洽场SCF公差为1×10-6eV/原子，k点取样使用的是2×2×1，能量的收敛公差为1×10-5eV/原子、力的收敛公差为3×10-2eV/原子、应力的收敛公差为5×10-2GPA、位移的收敛公差为1×10-3eV/原子。
步骤三、通过分析H2O分子产生羟基自由基氧化HCHO的光催化反应机理，得出HCHO的光催化反应过程受湿度变化的影响规律
对于HCHO分子，其在TiO2表面涉及羟基自由基的光催化反应机理可以表示为：
从以上催化反应可以看出，1 mol HCHO的完全降解需要2 mol羟基自由基。在HCHO浓度较低的情况下，对H2O分子产生羟基自由基的需求也相对较小。总结得出，随着环境中水分含量的增加，当水分子数量超过降解HCHO所需的H2O分子所产生羟基自由基数量，多余的H2O分子与HCHO分子发生竞争吸附，导致光催化反应效率降低。
综合步骤一、步骤二和步骤三中的光催化实验结果、DFT吸附模拟结果、光催化反应机理分析结果，总结得出，在环境湿度为33-60％的范围内，随着湿度的上升，当环境中的H2O含量超过降解HCHO所需的H2O分子所产生羟基自由基数量，使竞争吸附容易发生，从而降低了HCHO的降解。
实施例二
本实施例提供了一种基于吸附模拟和催化机理揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、通过研究湿度对TiO2光催化降解C6H6的影响实验，得出C6H6的光催化降解效率受湿度变化的影响规律；
实验步骤与实施例一中类似，不同的是气态C6H6来源于C6H6溶液瓶的顶部空间。根据图2b的光催化实验结果总结得出，在环境湿度为33-60％的范围内，随着湿度的上升，TiO2光催化降解C6H6是先促进后抑制的，最佳湿度为40％。
步骤二、通过模拟在不同水分子数量作用下C6H6在TiO2表面的吸附过程，得出C6H6的吸附能力受湿度变化的影响规律；
TiO2(101)表面模型、C6H6和H2O分子结构模型、C6H6/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附构型的构建方法、几何优化的参数设置、吸附能的计算与实施例一中类似。
对于C6H6分子，在没有H2O分子的作用下，如图5a所示，吸附能为-0.161eV；在一个H2O分子的作用下，如图5b和5c所示，图5c的吸附构型更稳定，吸附能为-0.175eV；在两个H2O分子的作用下，如图5d和5e所示，图5e的吸附构型更稳定，吸附能为-0.219eV；在三个H2O分子的作用下，如图5f所示，吸附构型只有一种，吸附能为-0.173eV；对比每种H2O分子数量的情况下吸附最稳定的吸附能大小，总结得出，随着H2O分子数量的增加，C6H6在TiO2催化剂表面的吸附先增强后减弱。
步骤三、通过分析H2O分子产生羟基自由基氧化C6H6的光催化反应机理，得出C6H6的光催化反应过程受湿度变化的影响规律。
对于C6H6分子，其在TiO2表面的光催化反应机理是复杂的，涉及到苯酚、二羟基苯和苯醌等中间体的形成。即使在较低的C6H6浓度下，C6H6降解对H2O分子所产生羟基自由基的需求量也很大。总结得出，随着环境中水含量的增加，H2O分子产生的大量羟基自由基满足了降解C6H6的需求，促进了C6H6的催化反应，但是随着催化反应的进行，中间体的大量生产则抑制了其催化反应。
综合步骤一、步骤二和步骤三中的光催化实验结果、DFT吸附模拟结果、光催化反应机理分析结果，总结得出，在环境湿度为33-60％的范围内，随着湿度的上升，催化反应首先增强，然后过量的水分含量抑制了催化反应，最终导致降解C6H6的最佳湿度为40％。
实施例三
本实施例提供了一种基于吸附模拟和催化机理揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、通过研究湿度对TiO2光催化降解H2S的影响实验，得出H2S的光催化降解效率受湿度变化的影响规律
实验步骤与实施例一中类似，不同的是气态H2S来源于与H2S、N2标气瓶连接的配气系统。根据图2c的光催化实验结果总结得出，在环境湿度为33-60％的范围内，随着湿度的上升，TiO2光催化降解H2S是被促进的。
步骤二、通过模拟在不同水分子数量作用下H2S在TiO2表面的吸附过程，得出H2S的吸附能力受湿度变化的影响规律。
TiO2(101)表面模型、H2S和H2O分子结构模型、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附构型的构建方法、几何优化的参数设置、吸附能的计算与实施例一中类似。
对于H2S分子，在没有H2O分子的作用下，如图6a所示，吸附能为-0.422eV；在一个H2O分子的作用下，如图6b和6c所示，图6c的吸附构型更稳定，吸附能为-0.415eV；在两个H2O分子的作用下，如图6d和6e所示，图6e的吸附构型更稳定，吸附能为-0.284eV；在三个H2O分子的作用下，如图6f所示，吸附构型只有一种，吸附能为-0.253eV；对比每种H2O分子数量的情况下吸附最稳定的吸附能大小，总结得出，随着H2O分子数量的增加，H2S分子在TiO2催化剂表面的吸附是被减弱的。
步骤三、通过分析H2O分子产生羟基自由基氧化H2S的光催化反应机理，得出H2S的光催化反应过程受湿度变化的影响规律；
对于H2S分子，其在TiO2表面涉及羟基自由基的光催化反应机理基本上可以表示为：
H2S+8OH·→SO4 2-+2H++4H2O
如上述的催化反应所示，1mol H2S的完全氧化需要8mol羟基自由基，这意味着H2S的降解对H2O分子产生羟基自由基的需求量很大。与HCHO和C6H6的降解情况不同，尽管随着H2O分子数量的增加，H2S的吸附减弱，但H2S降解对H2O分子所产生羟基自由基的需求量很大，因此随着H2O分子数量的增加，H2O分子产生羟基自由基越多，则促进了H2S的催化反应。总结得出，随着实际环境中水分含量的增加，H2S的降解过程对H2O分子所产生羟基自由基的大量需求促进了H2S的催化反应。
综合步骤一、步骤二和步骤三中的光催化实验结果、DFT吸附模拟结果、光催化反应机理分析结果，总结得出，在环境湿度为33-60％的范围内，随着湿度的上升，H2S在TiO2催化剂表面的吸附减弱，但H2S降解对H2O分子所产生羟基自由基的大量需求促进了H2S的催化反应，从而导致其光催化降解增强。
由实施例一、二、三可以看出，采用光催化实验、DFT吸附模拟、光催化反应机理分析相结合的方式，从吸附和催化反应的角度，结合光催化降解实验，多角度揭示了湿度对TiO2光催化降解HCHO、C6H6、H2S的影响机理，为光催化氧化技术的实际应用奠定理论基础。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
S1、通过研究湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响实验，得出气态污染物的光催化降解效率受湿度变化的影响规律；
S2、通过模拟在不同水分子数量作用下气态污染物在TiO2表面的吸附过程，得出气态污染物的吸附能力受湿度变化的影响规律；
S3、通过分析H2O分子产生羟基自由基氧化气态污染物的光催化反应机理，得出气态污染物的光催化反应过程受湿度变化的影响规律；
S4、综合以上步骤S1、S2、S3中的光催化实验结果、DFT吸附模拟结果、光催化反应机理分析结果，确定湿度对TiO2光催化降解气态污染物的影响机理。
2.根据权利要求1所述的一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，其特征在于，所述的步骤S1过程如下：
分别从HCHO溶液瓶、C6H6溶液瓶的顶部空间、与H2S、N2标气瓶连接的配气系统中提取初始浓度为1.0±0.5ppm的气态HCHO、C6H6和H2S，注入到负载有TiO2胶体的光催化系统中，其中TiO2胶体的固含量为30wt％，平均粒径为10nm；通过加湿器调节环境湿度范围为33-60％，将环境温度控制在30℃左右；在不同的湿度下，打开紫外灯，开始光催化氧化降解实验，每4-6min记录一次反应物浓度随时间变化的实验数据；根据光催化实验结果总结得出：在环境湿度为33-60％的范围内，TiO2光催化降解HCHO、C6H6、H2S的过程中，光催化降解效率受湿度变化的影响规律。
3.根据权利要求1所述的一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，其特征在于，所述的步骤S2过程如下：
用Materials Studio材料模拟软件构建由72个原子组成的锐钛矿型TiO2(101)的周期性表面模型，其尺寸为为尽量减少相邻周期之间的相互作用，采用
Figure FDA0002218953740000022
的真空层构建表面模型；采用密度泛函理论方法对锐钛矿型TiO2(101)的表面模型进行几何优化以获得稳态结构；
构建HCHO、C6H6、H2S、H2O分子结构模型并用密度泛函理论方法进行几何优化，确保分子能量达到平衡状态；
分别固定HCHO、C6H6、H2S的分子数量为1，在不同n(H2O)分子数量的作用下，其中n＝0、1、2、3......，采用DFT方法分别研究HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)与TiO2(101)表面稳态结构的相互作用能和相互作用方式，分析HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面稳态结构的选择吸附位、吸附类型和吸附构型；并根据计算得出的吸附能大小判断不同HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)吸附构型发生的可能性，比较这些吸附构型的稳定性，考察HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附能力及其强弱，确定不同H2O分子数量作用下HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附最稳态；根据不同H2O分子数量下HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面的吸附最稳态所对应的吸附能大小，总结出在不同H2O分子数量的作用下，HCHO、C6H6、H2S在TiO2(101)表面的吸附能力受湿度变化的影响规律。
4.根据权利要求3所述的一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，其特征在于，所述的步骤S2中，对所构建的锐钛矿型TiO2(101)表面模型，HCHO、C6H6、H2S、H2O分子结构模型，以及不同H2O分子数量作用下HCHO/n(H2O)、C6H6/n(H2O)、H2S/n(H2O)在TiO2(101)表面稳态吸附构型的几何优化，均在基于DFT方法的Materials Studio软件的CASTEP模块中完成，且选取广义梯度近似GGA/PBE函数作为交换相关函数。
5.根据权利要求1所述的一种揭示湿度影响TiO2光催化降解污染气体机理的方法，其特征在于，所述的步骤S3过程如下：
根据H2O分子产生羟基自由基氧化HCHO、C6H6、H2S分子的光催化反应机理，分析光催化氧化HCHO、C6H6、H2S的过程中对H2O分子产生羟基自由基的需求量，探讨环境中的水分含量与光催化氧化HCHO、C6H6、H2S过程中对H2O分子产生羟基自由基的需求量之间的关系，并考虑光催化氧化HCHO、C6H6、H2S的过程中所产生中间产物对光催化氧化的影响，总结出在不同水分含量下，HCHO、C6H6、H2S分子在TiO2催化剂表面的光催化反应过程受湿度变化的影响规律。
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