基本信息
- 项目名称：
- 光电催化降解气相中丙酮的研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品大幅度提高催化剂活性和效率，解决催化剂反应器的结构设计和催化剂定技术的难题，并促使光电协同催化技术在处理室内空气污染领域的大规模产业化应用.利用半导体材料的光催化特性以及空气阴极产生过氧化氢从而提供降解有机物的氢氧自由基的连续来源,用电化学手段分离光生电子和空穴,与光阳极相配的空气阴极将利用电子还原生成的过氧化氢在光的辐射下产生自由基，将使光催化活性和量子效率的大大提高。并采用固体电解质，使反应可以在常规电压下进行。从而达到快速除去空气中低浓度的有机污染物的目的.
- 详细介绍：
- 工作原理：本作品利用半导体材料的光催化特性以及空气阴极产生过氧化氢从而提供降解有机物的氢氧自由基的连续来源,用电化学手段分离光生电子和空穴,与光阳极相配的空气阴极将利用电子还原生成的过氧化氢在光的辐射下产生自由基，将使光催化活性和量子效率的大大提高。并采用固体电解质，使反应可以在常规电压下进行。从而达到快速除去空气中低浓度的有机污染物的目的. 作品的创新点以及优势: 1.采用表面光滑不锈钢材料作为反应容器，以做到反弹光子，减少光能的损失。 2.采用光电的协同催化来提高光催化活性和量子效率，即采用以导电材料负载具有光催化性能纳米二氧化钛作为阳极，以及具有把氧电催化还原成过氧化氢性能的材料作为阴极，固体电解质分隔阴极和阳极，形成三明治的结构。在光电协同催化下，阳极和阴极同时降解挥发性有机物，以提高降解的量子效率和时空效率。 3.采用高吸附能力的载体(活性碳纤维)，以使污染物被迅速吸附到催化剂表面，缩短了传质的时间，加快了反应速率。 4.施加了偏压而使得及时导走电子，加强了载体的吸附能力的再生能力。 推广前景: 本作品大幅度提高催化剂活性和效率，解决催化剂反应器的结构设计和催化剂定技术的难题，并促使光电协同催化技术在处理室内空气污染领域的大规模产业化应用.
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：室内空气污染是目前急待解决的问题，本文提出光电催化方法来净化室内空气。 基本思路：设计以固态聚合物电解质为特征的光电催化反应器降解挥发性有机物，预期选定丙酮作为目标物。 设计以活性碳纤维负载具有光催化性能的复合半导体超细粉体作为阳极和阴极，固态聚合物电解质分隔阴极和阳极。在光电协同催化下，阳极和阴极同时降解挥发性有机物，以提高降解的量子效率和时空效率。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性先进性：最近科学家大量研究结果表明光电催化对液相有机污染物的降解相比光催化或电催化有更好的效果，但用光电催化法处理气相污染却研究很少，本文提出用光电催化法降解空气中的污染物。 创新之处：1.采用固体电解质。2.光电催化法降解气相污染物。
应用价值和现实意义
- 对解决室内空气污染问题有着很大的进展和实际意义，比如解决新装修房间的有毒气味，公共场所的空气净化问题。
学术论文摘要
- 用光电协同催化法降解丙酮气体，光电催化装置由两电极和固体电解质形成通路结构，光源由波长为253.7nm，功率为9W的紫外灯提供。对比了光电协同催化法、光催化法和电催化法对气相中丙酮的降解效果,考察了初始浓度、外加电压和相对湿度对降解丙酮效率的影响。结果表明：同等条件下，光电催化法降解丙酮的效率是光催化的1.79倍，是电催化的3.08倍，其反应速率常数是光催化与电催化的反应速率之和的1.94倍。当外加电压为3伏、降解时间为80分钟，反应器中空气的相对湿度为60%、初始浓度小于476.25mg/m3时，降解丙酮的效率达到79.51%。通过气相色谱分析降解产物，结果只有未降解的丙酮。
获奖情况
- 一、发表的文章： 1.《活性碳纤维负载纳米二氧化钛对气相中丙酮的光催化降解》已经在《化学与生物工程》的2007年第十一期发表。 2.《纳米TiO2 光催化剂可见光化的最新进展》已发表于《材料导报网刊》2006年第9期。（见附件） 二、相关发明专利： 《一种发光二极管为光源的光催化空气净化器》．申请号:200810199122.2 三、获得的奖励： 1．本作品获得第三届“挑战杯”本校课外学术科技作品竞赛暨第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛选拔赛特等奖。 2.本作品获得第十届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
鉴定结果
参考文献
- [1] 竹涛 李坚 梁文俊 等.非平衡等离子体联合技术降解丙酮气体[J].环境科学学报,2008,28(11):2299-2304. [2] 曹晓强 黄学敏 马广大.真菌过滤塔净化含苯、丙酮废气影响因素的研究[J].环境科学,2007,28(8):1873-1877. [3] 褚海林 毛本将 杨睿戆 等.电子束辐照分解丙酮的初步实验研究[J].化工环保,2006, 26(3):190-193. [5] 潘湛昌．用于降解有机污染物的光电催化反应器[P]．CN Pat，ZL200420093650.7,2004-07
同类课题研究水平概述
- 目前，解决室内空气品质问题所采用的空气净化技术丰要有过滤、吸附、静电、负离子、低温等离子体、光催化、吸附光催化、臭氧、紫外线杀菌以及膜分离等技术。这些传统的VOCS控制技术，均存在处理低浓度VOCS效率低、使用范围较窄、投资费用高等局限性。一些经济高效和环境友好的新技术:微波催化氧化法、脱基吸收法、生物过滤法、纳米二氧化钛(Ti02)光催化法，纳米二氧化钛(Ti02)光电协同催化法[等也越来越多吸引人们的注意。由于光电协同催化技术在常温常压的条件下，就能够使反应顺利进行，比单独光催化法的降解效果好，而且能将空气中的低浓度的有害气体和异味彻底分解为无臭、无害产二氧化钛光催化技术，以及吸附与光催化技术的结合等成为室内空气污染控制技术的主要发展方向。然而由于纳米二氧化钛(Ti02)催化剂难以重复利用，光能利用率不高，光催化活性和量子效率不高，处理污染物的速率慢等问题，限制了纳米二氧化钛(Ti02)光催化新技术在工业生产中的应用。 针对以上几种降解法的不足之处，本文用以下几种方法解决。 1.针对纳米二氧化钛(Ti02)催化剂难以重复利用问题，本文采用导电且有良好吸附性能的材料负载纳米二氧化钛(Ti02)，形成不易脱落，且纳米二氧化钛(Ti02)的空穴利用率高，空穴的再生能力强，从而大大提高催化剂的重复使用性能。 2.针对光催化活性和量子效率不高的问题，本文采用光电的协同催化来提高光催化活性和量子效率，即采用以导电材料负载具有光催化性能纳米二氧化钛作为阳极，以及具有光催化性能的纳米二氧化钛半导体和具有把氧电催化还原成过氧化氢性能的材料作为阴极，固体电解质分隔阴极和阳极，形成三明治的结构。在光电协同催化下，阳极和阴极同时降解挥发性有机物，以提高降解的量子效率和时空效率。 3.针对反应的速率慢的问题，本文提出采用高吸附能力的载体，以使污染物被迅速吸附到催化剂表面，缩短了传质的时间，加快了反应速率，另外，因为施加了偏压，所以能够及时地导走电子，加强了载体的吸附能力的再生能力。 本文利用半导体材料的光催化特性以及空气阴极产生过氧化氢从而提供氢氧自由基的连续来源解气相丙酮。用电化学手段分离光生电子和空穴，与光阳极相配的空气阴极将利用电子还原生成的过氧化氢在光的辐射下产生自由基，将使光催化活性和量子效率的大大提高。并采用固体电质，使反应可以在常规电压下进行。
