關(guān)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(shè)備有限公司，江蘇蘇州215513)

關(guān)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(shè)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(xù)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(wěn)定性強(qiáng)。

催化劑；臭氧分解；低溫等離子

前言

介質(zhì)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(chǎn)物生成。臭氧屬于強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，擁有較高的化學(xué)反應(yīng)活性。高濃度的臭氧會對人體和生物組織造成直接損害。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)O3的濃度為0.11 ppm時(shí)，呼吸兩小時(shí)，便使肺活量減少20%；當(dāng)O3的濃度為0.13ppm時(shí)，胸部和鼻子將會產(chǎn)生刺激感；當(dāng)O3濃度高達(dá)1-2 ppm時(shí)，呼吸兩小時(shí)，眼和呼吸器官會有急性的灼燒感，出現(xiàn)頭痛癥狀并且中樞神經(jīng)發(fā)生障礙，如果時(shí)間再長一點(diǎn)，思維將會發(fā)生紊亂。世界衛(wèi)生組織已制訂了關(guān)于臭氧的安全標(biāo)準(zhǔn)：8小時(shí)工作環(huán)境下允許的最大濃度應(yīng)低于0.lppm（相當(dāng)于0.33μg/L）。

目前有關(guān)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(shí)間一長，活性碳容易失去活性，需要經(jīng)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(shí)候有爆炸的可能。藥液吸收法則是利用臭氧強(qiáng)氧化性的特點(diǎn)，采用還原性強(qiáng)的溶液對臭氧進(jìn)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(fā)生氧化還原反應(yīng)將臭氧分解掉。該方法的不足之處在于能耗大，運(yùn)用的費(fèi)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(fā)臭氧轉(zhuǎn)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(bǔ)其他方法的不足之處，分解率高、長期穩(wěn)定、安全經(jīng)濟(jì)，是較為理想的方法。

催化分解法的關(guān)鍵在于制備出高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)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(wěn)定性能好。

二、實(shí)驗(yàn)方法

1.主要儀器

7520型分光光度計(jì)，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(chǎn)；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(diào)節(jié)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(dān)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(fù)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(fā)生器是三根圓柱玻璃管，內(nèi)封有8w的殺菌燈，用于產(chǎn)生臭氧。采用扁平式石英管做反應(yīng)器，放入擔(dān)載催化劑的薄玻璃片，兩個(gè)4w的黑光燈分別放置在反應(yīng)器的兩側(cè)。臭氧的濃度采用靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法測定。

二、性能檢測

1.材料微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tǒng)計(jì)表

圖3：Au/TiO2催化劑穩(wěn)定性測試

3.Au/TiO2催化劑穩(wěn)定性

催化劑的穩(wěn)定性是考核催化劑優(yōu)劣的主要指標(biāo)。測試1% Au/TiO2催化劑穩(wěn)定時(shí)，每隔50分鐘測試一次臭氧分解率，初始濃度為1000mg/m3，根據(jù)臭氧分解率隨時(shí)間的變法來判斷催化劑的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，如圖3所示，連續(xù)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(wěn)定在95.5%左右。由此可見，Au/TiO2的催化劑穩(wěn)定性能良好。

三、結(jié)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(wěn)定性良好，1000分鐘的測試時(shí)間內(nèi)，催化效率僅降低3.1%，催化效率穩(wěn)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(yè)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(huán)境，2001，20（1）：35-39.