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臭氧(O3)如何利用光催化分解
发布时间:2023-02-09    浏览量:1627

由于臭氧具备强氧化性能,广泛应用于医疗卫生、食品保鲜和水质处理等行业,但在使用臭氧过程中易出现残留现象。同时在日常生活中,打印机工作场所机舱及高压放电区域,伴随高压放电而产生臭氧,对人体健康造成危害(心血管疾病、哮喘症状 ),同时也污染环境,因而研究催化分解臭氧性能优异、环境友好的催化剂具有重要意义。


催化分解臭氧催化材料可分为活性炭、贵金属和过渡金属氧化物等。活性炭催化剂被认为是从环境和健康角度最友好分解O3的催化剂之一,在基础和实际应用中受到广泛的关注。比如,研究者对活性炭上O3分解进行了细致的研究。他们考察了 20种具有不同空隙结构和化学表面特性的颗粒活性炭,对于空气中臭氧的去除活性,并在膨胀床反应器 (expanded bed reactors,EBR)和填充床反应器(packed bed reactor,PBR) 中对该反应进行了动力学研究。结果证实活性炭上O3分解属于催化行为,在实验条件下O3在 50℃下热力学稳定,高于该温度时O3会部分自发分解;O3在颗粒活性炭上的化学吸附与其比表面积、较大孔径与孔容、表面氧物种浓度和烟尘浓度有关;分解速率主要由比表面积、表面碱性氧物种浓度和金属浓度决定。此外,颗粒活性炭分解活性随着O3暴露时间延长而下降,催化剂表面酸性氧物种浓度的生成和吸附是失活的主要原因,另外水分子也能占据颗粒活性炭的活性位点,从而导致催化活性的下降。


还有研究证实在氮氧化物存在下,催化剂表面 C 官能团会被功能化生成新的活性位点,从而促进催化活性的提高。活性炭作为O3消除的主要材料广泛应用于建筑物和过滤器。例如活性炭过滤器可以有效地控制室内O3的排放,尤其是城市高浓度臭氧环境和夏日空调使用季节中臭氧的消除。活性炭不仅可用于室内O3消除,常常还可去除室内挥发性有机化合物。因此,考察挥发性有机化合物对活性炭去除O3效率的影响极为重要。研究者评价了活性炭过滤器在挥发性有机化合物暴露过后对O3的去除效率。暴露 80 h后,对O3去除效率为挥发性有机化合物暴露前的 75% ~ 95%。活性炭过滤器上O3的通过和消除能力并未受 VOCs 暴露速率的明显影响。VOCs 的吸附导致了03化学吸附速率的下降,一定程度上降低了O3的去除能力。


过渡金属氧化物催化剂应用广泛,对O3分解具有良好活性。其中,氧化锰催化剂因环境友好广泛应用于O3分解。例如研究者考察不同晶相MnO2对O3分解性能的影响,发现MnO2的催化活性强烈依赖于氧空位的密度。机理分析认为过氧化物物种的分解是O3分解限速步骤。向MnO2中引入 Fe 能增大催化剂的比表面积,大大提高氧空位含量,因而促进活性的大幅提高。干燥条件下,24 h 后 Fe-MnOx催化剂上O3转化率保持在 97%,而MnO2上为85%;在60%相对湿度下,6h反应后Fe-MnOx催化剂上O3转化率是 73%,而1h后MnO2催化剂上转化率即降至 50%。向钾锰矿型氧化物中引入过渡金属(Ce、Co和Fe)同样可以提高催化剂的催化活性。


掺杂不同过渡金属显示出对O3分解不同的效率,其中 Ce 掺杂的催化剂表现出最高的催化活性,在 90%相对湿度和 600000 h-1空速下去除率为90%。催化剂上Mn3+ 含量以及表面缺陷是影响臭氧分解活性的主要原因。此外,将锰氧化物担载于多孔载体同样对O3分解表现出良好的活性,研究发现多孔结构、Mn氧化物含量和分散度是影响催化剂活性的关键因素。其它氧化物,如α-A1203、TiO2和α-Fe2O3等也对O3表现出良好的光催化消除能力。溶胶凝胶法制备的介孔水铁矿催化剂对O3分解具有较高的活性,在 600 μL/LO3和1500000 mL/(g·h)下去除率达 95%。


丰富的表面不饱和铁位点和孤立的 FeOx物种以及多孔结构是其具有优异活性的主要原因。此外,贵金属催化剂对O3分解也表现出良好的活性。例如,Pd 的担载能大大提高活性炭纤维对机舱环境中臭氧消除的性能。该催化剂对臭氧的去除率高达 98%,并且具有良好的稳定性。填充有催化剂 Pd/ACF 的蜂窝式反应器,对飞机机舱中的臭氧有很高的去除效率。研究者采用等体积浸渍法制备了活性炭负载金催化剂,评价了该催化剂分解臭氧的催化活性,发现稀硝酸浸泡和还原处理催化剂能有效提高活性炭载金催化剂分解臭氧的性能。


在空速 60000 h-1、相对湿度60% 和臭氧浓度 45μL/L条件下,催化剂对臭氧去除率达 100%。担载金后,催化剂的比表面积、总孔容、微孔和中孔进一步增大是其活性提高的关键。采用离子交换和浸渍法合成银改性沸石(斜发沸石)和 Ag/SiO2催化剂,并用于臭氧的分解,发现 Ag/SiO2表现出非常高的催化活性,初始净化率为 95%,同时具有良好的催化稳定性。


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