王海强教授:表面铂改性对二氧化钛纳米管光催化降解甲胺性能的影响
采用浸渍法、沉淀-煅烧法和光沉积法,分别制备了PtClx、PtOx和Pt0改性的二氧化钛纳米管(TNTs)材料,并将其应用于甲胺的光催化降解。研究结果表明,0.5% PtClx/TNTs催化剂的甲胺光催化降解性能最佳,光催化效率可达95%,连续运行6h后仍保持92%以上的降解率。通过进行XRD、TEM、BET、XPS、UV-Vis DRS、PL和ESR表征,探究了不同化学态Pt对TNTs 在光催化降解甲胺反应中性能的影响。当Pt以PtOx和Pt0的形式负载在TNTs上时,虽然样品的光吸收和载流子分离性能得到了增强,但对甲胺在催化剂表面的吸附过程产生了不利影响,从而阻碍了甲胺的光催化氧化过程。只有当Pt以PtClx的形式负载在TNTs上时,才能构建新的Pt(III)-Pt(IV)电子转移通道,从而显著促进甲胺的光催化降解性能。
研究背景
甲胺是一种代表性的含氮挥发性恶臭气体,具有一定的毒性和较低的嗅觉阈值。利用光催化氧化技术去除环境中的低浓度污染物是一项经济、温和的绿色技术。目前,关于光催化处理气态污染物的报道较多,如光催化降解苯类物质、醛酮类气体、氮氧化物等。然而,有关光催化氧化含氮恶臭气体的工作报道并不多见。
为实现污染物的高效光催化降解,设计开发高性能的催化剂至关重要。TiO2基的光催化材料理化性质稳定、毒性低且价格低廉,是首选的紫外光响应型光催化剂,但其高光生载流子复合率以及较大的带隙等限制了其广泛应用。为了有效提升其光催化性能,研究者在TiO2材料的改性方面做了很多努力。例如,异质结构构建、缺陷工程、阴离子掺杂和贵金属沉积等。其中,贵金属沉积是一种简便易行的改性手段,通常使用一种或多种贵金属对TiO2进行改性,如Au、Ag、Cu和Pt等,这些贵金属不仅可以作为电子受体促进光生电子的迁移,还可以调变TiO2的能带结构,拓宽其光吸收性能。
值得注意的是,虽然贵金属是常用的助催化剂,但过量的金属负载可能导致金属颗粒在催化剂表面集聚,从而覆盖反应的活性位点,还可能形成新的电子-空穴重组中心,从而抑制光催化活性。因此,近年来研究人员进一步采用了尺寸控制、晶面诱导和形态调控等方法来提升贵金属的改性效果。研究表明,活性组分的化学存在形态在众多催化过程起到了至关重要的作用。例如,WU等证明,只需调节镍纳米颗粒的表面氧化态,就能大大提高光催化水分解性能。铂作为最常见的贵金属助催化剂之一,在光催化水分解、二氧化碳还原和挥发性有机化合物降解等领域受到了广泛的关注,但有关铂改性催化剂在甲胺光催化氧化领域的性能却鲜有报道。本文设计了不同化学形态铂改性的二氧化钛纳米管(TNTs)催化剂,系统考察了其在甲胺光催化氧化过程中的作用,尤其是不同化学状态的铂在光催化反应过程中的贡献。
本文通过对不同化学形态铂改性的TNTs光催化降解甲胺性能进行考察,明晰不同化学状态的铂物种在光催化反应过程中的作用,进而为甲胺光催化降解的光催化剂开发提供新的见解。
图1 光催化甲胺降解装置示意图
图2 不同催化剂的氮气吸脱附曲线和甲胺吸附穿透曲线
图3 甲胺在0.5% PtClx/TNTs上的光催化机理图
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