脉冲放电等离子体协同TiO2反应体系可以有效提高水中有机污染物的降解率及能量利用效率,显示出广阔的应用前景。但是,迄今的研究工作主要集中在优化反应系统、提高催化处理效果等方面,忽略了脉冲放电等离子体诱发TiO2催化机理的深入研究。脉冲放电等离子体体系中存在的氧化剂和还原剂与传统的光催化体系不同,脉冲放电过程除紫外光外还会产生高能电子、O3、激发态氮原子、硝酸根和亚硝酸根等活性物质,这些活性物质会直接影响TiO2的催化机理,包括电子-空穴的产生及自由基生成过程。基于上述问题,本研究搭建了稳定的脉冲放电等离子体协同TiO2反应体系,以典型有机污染物苯酚作为研究对象,对TiO2的催化机理展开研究工作。本文研究了放电产生的活性粒子及引入Fe3+离子对TiO2催化机理的影响作用,重点分析了高能电子激发TiO2生成电子-空穴过程、激发态氮原子改性TiO2作用、Fe3+与TiO2的协同降解机理。主要研究工作与结果如下:1.搭建了脉冲放电等离子体协同TiO2降解苯酚的实验体系,研究TiO2投加量、脉冲电压、放电间距、载气流量、电导率和载气种类对TiO2催化性能的影响。结果表明TiO2在脉冲等离子体体系具有催化活性,能提高10%的苯酚降解率。结合苯酚降解率和TiO2催化活性,优化实验参数如下:TiO2投加量为0.2g/L、脉冲电压选择为20kV、放电间距为10 mm、气体流量为0.05 m3/h、溶液电导率为10 μS/cm。2.通过加入电子捕获剂、TiO2的EPR表征、TiO2的XPS表征、苯酚中间产物和O3浓度的测定,研究了高能电子激发TiO2产生电子-空穴的作用及自由基生成过程。结果表明脉冲放电产生的紫外光及高能电子均能使TiO2激发产生导带电子-空穴,其中导带电子被氧空缺和Ti4+捕获后与相应的电子捕获剂反应。在脉冲放电体系中,导带电子主要与O2和O3反应生成·OH,但在苯酚降解过程中导带电子也能转移到TiO2表面与吸附的对苯醌反应生成对苯二酚,导致导带电子不能有效的转化为·OH,会一定程度上降低·OH的生成率。3.通过XPS、XRD和UV-Vis对TiO2的表征及硝酸根、亚硝酸根浓度的测定,研究了激发态氮原子对TiO2晶体结构的影响及硝酸根对导带电子还原反应的影响。发现放电等离子体中产生的激发态氮原子能掺杂进入TiO2晶格,TiO2的禁带宽度减小至2.8 eV,能对440 nm内的紫外-可见光进行光响应,提高了 TiO2的可见光活性;同时,硝酸根(NO3-)能与导带电子在甲酸存在条件下发生还原反应生成亚硝酸根(NO2-),而NO2-能与放电产生的H2O2发生反应提高·OH浓度。4.通过XPS、XRD和UV-Vis对TiO2的表征及光电流、苯酚中间产物和Fe2+浓度的测定,研究了 Fe3+进入脉冲放电/TiO2体系产生协同作用的机理。发现Fe3+和N均能掺入TiO2晶格,TiO2的禁带宽度减小至2.0 eV,能对620 nm以内的紫外-可见光进行光响应;光电流结果表明Fe3+和N掺杂TiO2能有效抑制电子-空穴的复合,证明Fe3+、N共掺杂提高了 TiO2的催化活性;溶液中的Fe3+能与导带电子及对苯二酚发生还原反应生成Fe2+,而Fe2+能与脉冲放电等离子体中产生的H2O2发生photo-Fenton反应提高·OH浓度,进一步提高了苯酚的降解率。