羟基锡酸锶及其复合物光催化降解甲苯的性能研究

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挥发性有机化合物(VOCs)作为主要环境污染物之一,不仅直接对环境和人体造成危害,还可在阳光照射下与氮氧化物发生光化学反应生成二次污染物,因而对大气环境造成严重的间接危害。光催化技术可在温和条件下产生强氧化性的活性自由基,从而将苯、甲苯、甲醛等有机污染物降解为其他小分子化合物和CO2及H2O。因此光催化技术被视为一种可用于VOCs降解的经济、高效环保技术。尽管,TiO2、ZnO等光催化剂在治理VOCs方面取得一定成果,但大多数光催化剂在降解有机污染物过程中极易被过量的中间产物和二次毒副产物覆盖表面活性位点,导致催化剂极易失活,表现为光催化稳定性较差。新型半导体光催化剂SrSn(OH)6禁带宽度较大,具有合适的导带及价带位置而表现出更强的氧化还原能力,此外,SrSn(OH)6表面均匀分布着大量羟基基团,紫外光照射下羟基基团极易被空穴氧化为羟基自由基(?OH),而?OH是降解有机污染物的主要活性基团,因此SrSn(OH)6在光催化氧化VOCs方面具有较大潜力。但SrSn(OH)6存在光吸收范围较窄、光生电子-空穴分离效率低等缺点,导致其光催化效率受限。
  为了提高SrSn(OH)6的光催化性能,对其进行以下改性:(1)调控SrSn(OH)6微观结构;(2)构建ZnSn(OH)6/SrSn(OH)6异质结。采用XRD,BET,FT-IR,SEM,XPS,TEM,UV-visDRS,ESR等表征手段对催化剂的物相结构、微观结构以及光学性质等进行分析,并通过对气相甲苯的降解评价其光催化性能,利用In-situDRIFTS动态监测光催化降解甲苯过程中的中间体及终产物。主要研究工作如下:
  (1)调控SrSn(OH)6微观结构:采用操作简单的水热法合成SrSn(OH)6(SSH),通过调节反应前驱体溶液的pH值,改变反应体系中的表面自由能及中间产物的种类,制备了形貌不同的SSH。根据表征结果,棒状SSH-10.5上光生电荷分离效率得到提升,表现出最高的光生电子-空穴对分离效率。根据自由基捕获实验结果,光催化过程中SSH-10.5表面丰富的羟基基团高效转化成了羟基自由基。通过光催化处理气相甲苯探讨了SSH的光催化性能,实验结果表明,样品SSH-10.5的光催化活性最高,紫外光照射下对甲苯的降解效率达69.56%。结合原位红外光谱分析,?OH和?O2-自由基攻击甲苯上的甲基,将甲苯转化为苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸中间产物,最终将甲苯矿化为CO2。
  (2)构建ZnSn(OH)6/SrSn(OH)6异质结:通过简单的室温共沉淀法成功制备了新型半导体光催化剂ZnSn(OH)6/SrSn(OH)6(ZSH/SSH)。ZSH和SSH半导体材料之间形成异质结结构,促进光生电子和空穴在两者的价带和导带之间进行有效转移,从而提高了光生电子-空穴对的分离效率。这一过程使得更多的活性物种参与光催化反应,有效提高了复合材料对污染物的降解效率。以气相甲苯为目标污染物,对ZSH/SSH的光催化活性进行评价,样品ZSH/SSH-10表现出最佳的光催化活性,30分钟内,复合光催化剂的活性较纯相SSH提高了14%。结合原位红外光谱图,对光照条件下SSH和ZSH/SSH-10上甲苯的转化及中间产物和终产物进行了分析。
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