2纳米颗粒光催化降解甲醛的条件优化'> TiO2纳米颗粒光催化降解甲醛的条件优化
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摘要：针对甲醛污染的问题，以锐钛矿型TiO2纳米颗粒为催化剂对甲醛进行光催化降解，主要研究了光照时间、甲醛稀释倍数及H2O2浓度对甲醛降解率的影响。结果表明，甲醛的降解率随时间增加而增加，二者表现为近似线性的关系；当甲醛稀释倍数为2 000，H2O2浓度为300 mg/L时，甲醛的降解率最高。
中图分类号：X788 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）12-2800-03
Optimization of Photocatalytic Degradation Condition of Formaldehyde by tio2 Nanoparticals
ZHANG Hong-mei，KONG De-guo，LUO Hua-ping
（College of Mechanic and Electrical Engineering，Tarim University，Alar 843300，Xinjiang，China）
Abstract： In view of the formaldehyde pollution，anatase TiO2 nanoparticals were used as photocatalyst to degradate formaldehyde. The effects of illuminative time， dilution ratio of formaldehyde and the concentration of H2O2 on the degradation rate of formaldehyde were studied. The results indicated that the relationship between the degradation rate of formaldehyde and the illuminative time was linear. When the dilution ratio of formaldehyde was 2 000 and H2O2 was 330 mg/L， the degradation rate of formaldehyde was the highest.
Key words： TiO2 nanoparticals； photocatalytic degradation； formaldehyde； condition optimization
甲醛是室内装修带来的主要污染物之一，其对人类健康的危害不容忽视。甲醛对孕妇和婴儿的危害更为严重，国际癌症机构已经将甲醛确定为可疑致癌物[1-5]。因此，如何快速便捷地清除甲醛成为一项重要的任务。常用的净化甲醛的方法主要有：植物吸附法、通风法、活性炭吸附法及化学法[6]。由于通常的吸附方法只能将甲醛转移而不是分解，因此，甲醛的毒性并未消除。TiO2纳米颗粒由于有大的比表面积、无毒、成本低，并且能将甲醛分解成无毒的CO2和H2O，因此，在环境净化中应用前景广阔[7-12]。鉴于此，用锐钛矿型TiO2纳米颗粒对甲醛进行光催化降解，希望能够为环境净化提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试剂 锐钛矿型TiO2纳米颗粒，浙江泓晟纳米科技股份有限公司；40%甲醛溶液，分析纯，洛阳昊华化学试剂有限公司；乙酰丙酮，分析纯，郑州中天实验仪器有限公司；醋酸铵，分析纯，郑州中天实验仪器有限公司；去离子水，自制。
1.1.2 主要仪器 721型紫外-可见分光光度计；表面光电压谱仪。
1.2 方法
1.2.1 光照时间对甲醛降解率的影响 将一定量的TiO2纳米颗粒超声分散到50 mL稀释1 000倍的40%甲醛溶液中，紫外光照射下，每30 min取样一次，采用分光光度法测定甲醛的吸光度。
1.2.2 甲醛稀释倍数对降解率的影响 将0.05 g TiO2纳米颗粒分别超声分散到50 mL稀释500倍、1 000倍、1 500倍、2 000倍和2 500倍的40%甲醛溶液中，紫外光照射一段时间后取样测定甲醛的吸光度。
1.2.3 H2O2浓度对甲醛降解率的影响 将0.05 g TiO2纳米颗粒超声分散到50 mL稀释1 000倍的40%甲醛溶液中，滴加H2O2配制浓度分别为66、132、198、254和330 mg/L的溶液，紫外光照射1.5 h后，采用分光光度法测定甲醛的吸光度。
2 结果与分析
2.1 甲醛的标准曲线
参考文献[13]绘制甲醛的标准曲线如图1所示。甲醛的标准曲线方程为：
2.2 光源的选择结果
表面光电压谱仪是一种用来测量样品表面和界面间电荷传输性能的仪器。该仪器是借助于入射光来测量样品表面和界面的信息。同时还可以用来检测样品对入射光的响应范围，因此，具有不污染样品、灵敏度高、对样品无伤害等优点[14]，其灵敏度比XPS和AES都高，因此，表面光电压谱仪的使用范围更广[15]。图2是TiO2纳米颗粒的表面光电压谱。从图2可以看出，无外电场时，TiO2纳米颗粒的光伏响应阈值为375 nm，即对紫外光有响应，而在可见光区没有任何信息。因此，选择紫外光作为光催化降解甲醛的光源。由图2还可以看出，表面光电压随外电场的增强而增强，但是响应阈值没有变化，表明所用锐钛矿型TiO2纳米颗粒结晶较好，没有表面态存在。
2.3 光照时间对甲醛降解率的影响
图3是甲醛的降解率随光照时间的变化关系。从图3可以看出，甲醛的降解率与光照时间几乎成线性关系，反应2.5 h后，曲线变得略为平缓。这是因为在入射光的照射下，TiO2纳米颗粒表面产生电子-空穴对，空穴具有强氧化性，将与催化剂接触的甲醛氧化成CO2和H2O，初始时刻有大量的甲醛分子与催化剂表面接触，因此，甲醛的降解率几乎与光照时间成线性关系。由于在光催化降解甲醛的过程中，没有对甲醛溶液进行搅拌，光照一段时间后，催化剂沉降到容器底部，降低了与甲醛的接触几率，因此在反应的后期甲醛的降解率变化曲线开始变得平缓。
2.4 甲醛稀释倍数对降解率的影响
图4是甲醛的降解率随稀释倍数的变化关系。从图4可以看出，当稀释倍数为2 000时，甲醛的降解率最高。这主要是因为当稀释倍数较小时，催化剂的含量相对降低，催化剂对甲醛的吸附能力较小，因此对甲醛的降解率不高；当稀释倍数较高时，催化剂的含量相对较大，由于催化剂是悬浮在体系中对甲醛进行光降解的，因此，过量的催化剂会阻挡某些催化剂颗粒得不到光照而使对甲醛的降解率较低。故甲醛的稀释倍数必须在某一个最佳值才能使催化剂与紫外光都得到充分的利用，达到最佳的降解效果。
2.5 H2O2浓度对甲醛降解率的影响
图5是甲醛的降解率随H2O2浓度的变化曲线。从图5可以看出，甲醛的降解率随H2O2浓度的升高而升高。主要是因为在紫外线的照射下，TiO2纳米颗粒表面产生的电子-空穴对中的电子容易被H2O2捕获生成羟基自由基，促进了电子与空穴的复合，而羟基自由基具有强氧化性，能将甲醛氧化成CO2和H2O，因此，甲醛的降解率随H2O2浓度的升高而升高。
3 结论
锐钛矿型TiO2纳米颗粒对甲醛的降解性能研究结果表明，甲醛的降解率与光照时间之间具有线性关系，随光照时间的增加，曲线变得略为平缓；甲醛的降解率随稀释倍数先升高后降低，在稀释2 000倍时，催化剂与光照均得到最佳利用，因此，甲醛的降解率最高；甲醛的降解率随H2O2浓度的升高而升高，主要是因为催化剂与H2O2之间具有协同效应。
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