Pd、Ag基材料的制备、光催化性能及相关机理研究

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挥发性有机化合物(即VOCs)是一种常见的空气污染物。催化燃烧法是工业上常用的VOCs降解方法,但反应需要在高温下进行,耗费大量的能量。光催化由于反应条件温和被视为一种绿色节能的方法而备受关注。本文针对空气中挥发性有机污染物的净化,将光催化与热催化结合,采用一步氧化还原法制备了具有核壳结构的Ag@CeO2,通过液相还原法在Ag@CeO2的表面进一步负载了Pd纳米颗粒。以甲苯催化氧化作为探针反应测试催化剂的催化活性,并研究催化的反应机理。从催化材料的结构分析可知,Pd-Ag@CeO2材料是一种直径在100-200 nm的球形颗粒,直径在5 nm左右的Pd纳米颗粒均匀负载在Ag@CeO2颗粒的表面,整个颗粒是由三种组分组装而成的介孔球结构。可见光照射下样品表现出优异的光催化氧化性能。当甲苯的转化率达到50%时,反应温度仅为88℃。通过金属-载体间的相互作用,同时催化剂表面的活性位点数量明显增加,有效促进了氧分子的活化、解离和迁移。通过动力学计算,比较光照条件下和黑暗条件下的反应活化能,发现催化剂活性的提高并不是由于光的热效应引起。对其光学性能进行测试发现,光照条件下,催化剂的提升主要归因于两点:1)贵金属的LSPR(局域表面等离子体)效应使得样品在可见光范围内的光吸收明显增强;2)金属-金属氧化物界面处肖特基结的形成有效提高了电子-空穴的分离效率。综合以上原因,Pd-Ag@CeO2催化剂表现出优异的光催化氧化性能。在上述研究的基础上制备了钯-银-二氧化钛水性涂料用于光催化氧化空气中污染物,并通过对十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的用量进行优化并在保证催化性能的前提下提升了溶胶的稳定性,最终确定实验条件下CTAB的用量为0.4g。在30天的溶胶稳定性测试中,制备溶胶溶液未出现明显的分层现象。将涂料负载在石英棉上对其光催化氧化性能进行了测试,发现其在室温条件下就可有效地催化氧化甲醛和一氧化碳,甲苯的起燃温度为100℃,证明了其良好的光催化氧化性能。同时对光催化氧化性能的稳定性进行了测试,在5小时内催化剂未出现明显的失活现象。成本分析发现该材料同样满足商业化应用的条件,存在巨大的商业化应用潜力。
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