關于Au/TiO2臭氧分解催化劑的制備與性能研究

周敏 何柄諭 蔡曉威 張超 (蘇州紐艾之光凈化設備有限公司，江蘇蘇州215513)

關于Au/TiO2臭氧分解催化劑的制備與性能研究

周敏 何柄諭 蔡曉威 張超 (蘇州紐艾之光凈化設備有限公司，江蘇蘇州215513)

較高濃度的臭氧危害人體健康，各種分解臭氧的辦法被廣泛研究。催化分解法是一種無二次污染、高效、低運營成本的方法。Au/TiO2是一種良好的催化分解臭氧的催化劑，實驗表明Au含量為1%的Au/TiO2（簡稱為1%Au/TiO2），催化臭氧的分解率為98.6%，并且連續工作1000分鐘后，催化率下降幅度僅為3.2%。這顯示出1%Au/TiO2不僅僅催化性能好，而且穩定性強。

催化劑；臭氧分解；低溫等離子

前言

介質阻擋放電法生成低溫等離子的過程中往往會伴隨著少量臭氧等副產物生成。臭氧屬于強氧化性的物質，擁有較高的化學反應活性。高濃度的臭氧會對人體和生物組織造成直接損害。實驗研究結果表明，當O3的濃度為0.11 ppm時，呼吸兩小時，便使肺活量減少20%；當O3的濃度為0.13ppm時，胸部和鼻子將會產生刺激感；當O3濃度高達1-2 ppm時，呼吸兩小時，眼和呼吸器官會有急性的灼燒感，出現頭痛癥狀并且中樞神經發生障礙，如果時間再長一點，思維將會發生紊亂。世界衛生組織已制訂了關于臭氧的安全標準：8小時工作環境下允許的最大濃度應低于0.lppm（相當于0.33μg/L）。

目前有關臭氧的分解方法多種多樣，其主要分解方法有活性碳法、藥液吸收法、熱分解法、電磁波輻射分解法、催化分解法。活性碳法操作簡單方便，但是使用時間一長，活性碳容易失去活性，需要經常更換或再生，并且只適用于低濃度臭氧。該方法的使用有局限性，并且在臭氧濃度高的時候有爆炸的可能。藥液吸收法則是利用臭氧強氧化性的特點，采用還原性強的溶液對臭氧進行吸收，通常使用的溶液為硫代硫酸鈉或亞硫酸鈉溶液。這種方法不足之處在于需要處理廢液。熱分解法對高濃度的臭氧的分解率高。其原理是在400℃以上的高溫下通過熱分解或者燃燒發生氧化還原反應將臭氧分解掉。該方法的不足之處在于能耗大，運用的費用高。電磁波輻射分解法才是采用紫外或近紅外線照射臭氧，激發臭氧轉化為氧氣。催化分解法則是直接催化分解臭氧，所需的條件不苛刻，沒有廢液或廢物生成，能較好彌補其他方法的不足之處，分解率高、長期穩定、安全經濟，是較為理想的方法。

催化分解法的關鍵在于制備出高效、穩定、經濟的催化劑。本文介紹一種新型Au/TiO2催化臭氧分解的催化劑，它催化效率高，穩定性能好。

二、實驗方法

1.主要儀器

7520型分光光度計，上海分析儀器廠；銳鈦礦型TiO2，浙江舟山明日納米材料公司生產；自制的5cm×5cm玻璃片；4W黑光燈管（峰值λ=365 nm，hv=3.40 eV），北京電光源研究所；8W殺菌燈管（峰值λ=253.7 nm，hυ=4.89 eV），上海金光燈具廠。

2.催化劑的制備

首先將銳鈦礦型TiO2粉末在空氣氣氛中以500℃焙燒4 h，冷卻后配制成TiO2懸浮液。然后將一定濃度的HAuCl4水溶液滴加到TiO2懸浮液中，再用0.1M的NaOH溶液調節懸浮液的pH至7。在50℃溫度下靜置2 h，過濾，洗滌，在真空室溫下干燥。接著在200℃的空氣氛圍中焙燒4 h，制得理論擔載量為1%的Au/TiO2催化劑。

將制得的催化劑分散到蒸餾水中得到濃度為1mg/ml的催化劑的懸浮液，用滴管滴加在表面粗化的5 cm×5 cm的玻璃片上，干燥，重復多次，即得到涂覆量約為10mg的催化劑玻璃樣片。

3.臭氧分解檢測方法

O3發生器是三根圓柱玻璃管，內封有8w的殺菌燈，用于產生臭氧。采用扁平式石英管做反應器，放入擔載催化劑的薄玻璃片，兩個4w的黑光燈分別放置在反應器的兩側。臭氧的濃度采用靛藍二磺酸鈉分光光度法測定。

二、性能檢測

1.材料微觀結構檢測

Au/TiO2的SEM圖如圖1所示。Au/TiO2的顆粒較為均勻，并且顆粒排布較為致密。均勻且致密的微觀結構使得臭氧能高效地與催化劑接觸，提高催化劑的催化效率。

圖1：Au/TiO2材料的SEM圖

2.催化劑的催化活性

在不同的臭氧濃度下，催化劑的催化效率效率有所不同。如圖2所示，在臭氧初始濃度為1000mg/m3，1500mg/m3，2300mg/m3的情況下，TiO2的催化效率分別為28.7%，25.1%，22.5%，1%Au/

圖2：不同催化劑催化分解效率統計表

圖3：Au/TiO2催化劑穩定性測試

3.Au/TiO2催化劑穩定性

催化劑的穩定性是考核催化劑優劣的主要指標。測試1% Au/TiO2催化劑穩定時，每隔50分鐘測試一次臭氧分解率，初始濃度為1000mg/m3，根據臭氧分解率隨時間的變法來判斷催化劑的穩定性。實驗數據表明，如圖3所示，連續工作1000分鐘后，催化劑分解率從98.6%降低到95.5%，減少3.1%，下降幅度為3.2%，且1000分鐘以后催化效率基本上穩定在95.5%左右。由此可見，Au/TiO2的催化劑穩定性能良好。

三、結語

Au/TiO2催化劑的粒徑分布均勻，且分布緊密，有利于提高催化劑與臭氧的接觸從而提高催化性能。相比于單純的TiO2的催化劑，Au/TiO2對臭氧的催化效果有顯著的提高，在相同的臭氧濃度下，Au/TiO2對臭氧的催化效率比TiO2提高3-4倍。并且Au/ TiO2催化劑的穩定性良好，1000分鐘的測試時間內，催化效率僅降低3.1%，催化效率穩定在95.5%左右。由此可見，Au/TiO2是一種性能良好的催化臭氧分解的催化劑。

［1］陳燁璞，蔣愛麗，譚桂霞，沈楓蓮，臭氧催化分解的研究［J］，工業催化，2006，5（14）：52-55.

［2］傅嘉媛，馮易君，鐘兵，催化分解臭氧的方法及催化劑性能概述［J］，四川環境，2001，20（1）：35-39.