改性二氧化鈦降解汽車尾氣中NOx研究

周晶

【摘 要】在常溫常壓條件下，實驗采用無機鹽超聲輔助水熱法合成WO3/TiO2納米復合材料，考察不同煅燒溫度和不同摩爾配比對WO3/TiO2納米光催化劑性能的影響，以NOx為目標污染物，通過考察NOx的降解效率表征WO3/TiO2納米復合材料的光催化性能。結(jié)果表明：在可見光照射下，合成的WO3/TiO2納米復合材料表現(xiàn)出對NOx有較好的光催化性能，其中，WO3/TiO2的摩爾配比為1：1，煅燒溫度為550℃時，NOx的光催化降解效果最好。

【關(guān)鍵詞】汽車尾氣 光催化 納米二氧化鈦 氮氧化物

大氣顆粒物是影響人體健康、大氣能見度和地球輻射平衡的重要污染物[1]。大量的PM2.5來自于機動車尾氣等排放的一次污染物及其在空氣中發(fā)生化學反應而生成的二次粒子[2]。汽車尾氣排放是目前增長最快的大氣污染源，汽車尾氣排放的主要污染物有：一氧化碳、碳氫化合物（包括苯、苯并芘等）、氮氧化物（NO、NO2等）、微粒、二氧化硫、二氧化碳、醛類等。另外，汽車排放到大氣中的碳氫化合物和NOx在特定的氣象條件下形成的光化學煙霧[3]。光催化氧化技術(shù)是一種高級氧化技術(shù)，光催化氧化技術(shù)在處理氣相污染物中已取得較大成功。Toma等[5]研究發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦光催化劑可以有效的降解氮氧化物氣體。

本文將通過超聲輔助水熱法制備納米二氧化鈦光催化劑并進行降解NOx實驗，期望在光催化處理汽車尾氣方面得到應用，進一步減少汽車尾氣中可吸入顆粒物的排放。

1 實驗

實驗所用的化學試劑及藥品主要有硫酸鈦和鎢酸鈉等，所需實驗設(shè)備主要有電磁攪拌器、真空干燥箱、馬弗爐等。實驗采用無機鹽超聲輔助水熱法制備TiO2納米光催化劑顆粒，主要考察煅燒溫度和WO3/TiO2摩爾比對NOx降解的影響。二氧化鈦光催化劑的表征主要通過紫外-可見漫反射吸收光譜方法。

光催化性能的試驗方法根據(jù)GB/T 17096-1997《室內(nèi)空氣中氮氧化物衛(wèi)生標準》中附錄A的鹽酸萘乙二胺分光光度法進行測試，測出的吸光度再根據(jù)規(guī)范中公式換算為NOx的濃度。實驗中，光催化活性以NOx的降解率η表示，由公式1求得不同時間下樣品對NOx的降解率η：

其中，C0為NOx的初始濃度，C為NOx光催化反應某一時刻的濃度。之后以降解時間為橫坐標，NOx的降解率η為縱坐標得出催化劑的光催化降解圖，評價其光催化活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 煅燒溫度對NOx降解率的影響

在可見光照射下，采用自制光反應儀進行光降解NOx的實驗，固定摩爾比為1：1，圖1為不同煅燒溫度下的NOx降解率。從圖1得知，所制備的樣品照射下的光催化活性明顯。其中在無催化劑的情況下NOx溶液在350W氙燈照射下的降解非常緩慢。煅燒溫度對催化活性影響很大，煅燒溫度越高單位時間內(nèi)NOx的光催化降解率越小。

對于的改性二氧化鈦光催化劑，在光降解20 min后，550℃和450 ℃的TiO2光催化劑的光催化活性都比較高，說明這兩個溫度下制得的復合光催化劑的催化效果較好，當用氙燈照射時，TiO2導帶上光生電子轉(zhuǎn)移并聚集在較低能級的WO3的導帶上，而空穴則聚集在能級較高的TiO2價帶上。因此增大光生電子與空穴的分離效率，從而提高TiO2光催化劑的光催化活性。當煅燒溫度為750℃時，NOx降解率只有10%左右，這有可能是因為煅燒溫度過高可能已經(jīng)導致TiO2光催化劑復合物變性。

2.2 摩爾配比對NOx降解率的影響

固定煅燒溫度為550℃，圖2為不同樣品摩爾配比下的NOx降解率。從圖2得知，對于550℃煅燒溫度下不同摩爾配比樣品，照射50分鐘后，摩爾比為1：1，2：1和1：2的TiO2光催化劑在可見光照射50分鐘后降解NOx的百分比分別為100%，43%和18%。

純WO3（1：0）和純TiO2（0：1）在可見光照射50分鐘后NOx降解率分別為15%和7%，說明光催化活性較小。當樣品摩爾配比為1：2和2：1時，NOx降解率也都在40%以下，可能是當摻雜過多的WO3，電子轉(zhuǎn)移中心就有可能變成電子復合中心，降低了電子與空穴的分離效率，從而降低了TiO2光催化劑的光催化活性。因此，當煅燒溫度為550 ℃，摩爾配比為1：1時，TiO2光催化劑納米顆粒降解NOx的效果最好，說明其光催化活性最高。

2.3 NOx光催化降解動力學研究

TiO2光催化劑光催化降解NOx的線性化的動力學數(shù)據(jù)曲線示于圖3。很明顯，用ln（C/C0）為縱坐標和照射時間為橫坐標的曲線接近線性曲線，這表明TiO2光催化劑樣品對NOx的光催化降解遵循一級反應動力學。通過計算，WO3/TiO2（1：1），WO3/TiO2（2：1），WO3/TiO2（1：2），純WO3，純TiO2和NOx樣品的反應速率分別為0.0265，0.0166，0.0032，0.0016，0.0005和0.0004 min-1的，則表明TiO2光催化劑復合材料具有良好的光催化性能。

3 結(jié)語

采用無機鹽超聲輔助水熱法制備納米WO3/TiO2光催化劑，通過改變煅燒溫度和摩爾配比來研究納米WO3/TiO2光催化劑的光催化活性的改變，并利用光反應儀進行光降解NOx，對其降解活性進行比較分析。適當?shù)哪柋壤梢燥@著地促進光生電子-空穴的分離，并提高NOx的光催化降解效率。則煅燒溫度為550℃，摩爾配比為1：1的WO3/TiO2納米顆粒光催化活性最高。

參考文獻：

[1]閆靜，吳曉清，羅志云等.國外大氣污染防治現(xiàn)狀綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2016，2，56-60.

[2]方寧杰，郭家秀，尹華強.顆粒物與霧霾的形成及防治措施[J].四川化工，2015，18（1）：49-53.

[3]A.G.Kontos， A.Katsanaki，V. Likodimos，etal.Continuousflow photocatalytic oxidation of nitrogen oxides over anodized nanotubular titania films.Chemical Engineering Journal，2012，179（1）：151-157.

[4]F.Toma，G.Bertrand，S，Chwa，etal Comparative study on the photocatalytic decomposition of nitrogen oxides using TiO2 coatings prepared by conventional plasma spraying and suspension plasma spraying.Surface and Coatings Technology，2006， 200（20-21）： 5855-5862.