磷、碳共掺纳米TiO2降解车内VOCs的性能研究

磷、碳共掺纳米TiO2降解车内VOCs的性能研究


2024年3月12日发(作者:网易游戏官网首页)

第28卷第3期 

2012年6月 

黄石理工学院学报 

VoI.28 No.3 

JOURNAL 0F HUANGSHI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 

Jun. 2012 

doi:10.3969/j.issn.1008—8245.2012.03.007 

磷、碳共掺纳米TiO2降解车内VOCs的性能研究冰 

曹小艳 袁颂东 

( 湖北理工学院化学与材料工程学院,湖北黄石435003; 

湖北工业大学化学与环境工程学院,湖北武汉430068) 

摘 要:采用钛的有机物进行低温水解,并通过在低温条件下用水热法制备了未掺杂和磷、碳非金属 

元素共掺的二氧化钛粉体。利用SEM—EDS、BET、XRD等分析手段对其结果进行表征,讨论了内部 

结构和形貌与光催化活性的关系。研究表明:所制备的改性纳米二氧化钛均为粉体,粒径在1~10 nm 

之间,其催化活性有所提高,最佳反应时间和最佳温度分别为20 h和180 oC。当车内总挥发性有机物 

(VOCs)初始浓度较低时,其催化效果最佳条件是催化剂的用量为14.5 mg/L。通过对磷、碳共掺杂的 

纳米TiO 粉体的研究,发现共掺存在一个最佳比值m(Ti):m(C):nl(P)=4:1:0.6,高于或 

低于此掺杂量,其光催化效率均有所下降。 

关键词:磷、碳共掺杂;TiO 纳米颗粒;车内VOCs;光催化降解 

中图分类号:TB383 文献标识码:A 文章编号:1008—8245(2012)03—0027—05 

Study on Performance of P/C——doped 

nano TiO2 Degradation in Vehicle VOCs 

CA O Xiaoyan YUAN Songdong2 

( School of Chemical and Materials Engineeirng,Hnbei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003; 

School of Chemic ̄and Environmental Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan Hubei 430068) 

Abstract:The undoped and p/c——doped titanium dioxide powder was prepared by hydrothermal under low—— 

temperature hydrolysis of titanium organic matter in the article.The internal structure and morphology and 

photocatalytic activity relationship were discussed by their characterizing results through SEM—EDS,BET, 

XRD.The results showed that the diameter of modified nano—titanium dioxide powder was about 1 rim to 

10nm.its best temperature was 1 80℃.and the best reaction time was 20 h.When catalyst amount was 

14.5 mg/L,initial concentration of low—total volatile organic compounds(VOCs)interior,its catalytic was 

best.P/C—doped nano—TiO2 powders were f0und that there was an optimum value under m(Ti): 

m(C):nl(P)=4:1:0.6.photocatalytic eficifency decreased above or below this doping amount. 

Key words:P/C—doped;TiO2 Nanoparticles;VOCs in vehicle;photocatalytic degradation 

随着社会经济的发展和人们生活水平的 

提高,市场汽车的需求也使汽车工业得到飞速 

的发展。车型各式各样,大城市已进入汽车增 

长的高峰期,汽车成为家庭的代步工具。在购 

车时,大部分人只注重车的外型、安全性能、经 

济性能、多功能以及动力性能等方面,却忽视 

了车内污染给人体健康带来的巨大危害…。 

如何有效又快捷地去除车内总挥发性有机物 

(TVOCs)污染物,一直是人们共同关注并希望 

得到解决的重要研究课题。 

根据“中国首次汽车内环境污染情况调查 

活动”中的检测结果 ,并且参照标准《室内 

收稿日期:2012—02—23 

基金项目:湖北省自然科学基金项目(项目编号:51172066)。 

作者简介:曹小艳(1976一),女,湖北黄石人,中教一级,硕士。 

黄石理工学院学报 2012芷 

空气质量标准》(GB/T18883—2002),在接受 

检测的1 175辆车中,全部项目合格的仅为52 

辆,占已测总数的6.1 8%。新车内环境污染 

情况调查结果如表1所示 。 

表1 新车内环境污染情况调查结果统计表 

污染物 不合格的新车辆数百分比(%) 

室温,从高压釜中取出悬浮液,在超声波条件 

下搅拌分散并加人分散剂,最后得到二氧化钛 

光触媒喷液。 

2结果与讨论 

2.1 XRD 

图1为同一掺杂量在不同的反应时间所 

制得的共掺杂TiO 纳米粉体的XRD谱图。根 

据匹配后的结果分析,二氧化钛锐钛矿相的 

(1 10)、(100)、(101)晶面的衍射峰对应的 

20分别为48.4。、38.3。、25.5 。这说明 

所制备的所有粉体样品均出现了典型的四方 

晶系锐钛矿型结构的TiO 特征衍射峰,而且 

1 实验 

1.1 主要试剂 

钛酸异丙酯(分析纯),硝酸(分析纯),磷 

酸(分析纯),过氧化氢(双氧水),葡萄糖(分 

析纯),聚乙烯醇(化学纯)。 

衍射峰位置基本一致。随着反应时间的缩短, 

锐钛矿相的特征峰(20=25.5。)的强度逐渐 

降低,证明产物的晶化程度随着反应时间的变 

化而有很大的改变。 

700 

600 

1.2 主要仪器和设备 

真空管式高温反应炉,GSL1600X型,郑州威 

达高温试验仪器有限公司;智能热式恒温加热磁 

力搅拌器,DF2101型,巩义市英峪予华仪器厂; 

场发射扫描电子显微镜,J SM6700F型,日本J 

500 

400 

型 

疆300 

200 

lO0 

EOLS公司;X射线衍射仪,Pen PRO型,荷兰帕 

纳科公司。BET比表面测量仪,BELPREP—flow 

Ⅱ,Business for Enjoying Life(BEL)JAPAN,INC。 

图1 不同反应时间掺杂TiO:的XRD谱图 

1.3 方法 

用锥形瓶取定量的去离子水,然后逐滴滴 

加定量的水解抑制剂,并保持在酸性条件下, 

滴加适量的钛酸异丙酯,在低温条件下搅拌 

4 hE右,然后在室温条件下放置20 h,用去离 

2.2 粉体比表面积分析(BET) 

表2是样品C/TiO (22/0.026:1)反应 

时间为15 h、20 h、25 h的条件下相同温度的吸 

附一脱附等温线,分别标记为样品A、B、C,其 

比表面积大小如图2所示。由BET数据分析 

可知,反应时间越短,BET比表面积越大;且随 

着碳的引入量不断增加,二氧化钛的比表面积 

子水过滤洗涤数次,直到没有气味为止,继续 

滴加适量的抑制剂和双氧水,使其溶解后再继 

续滴加碳还原剂和磷酸。然后移人高压釜中, 

密封后置于180 oC的烘箱中进行水热反应 

22 h。反应结束后,取出高压釜,自然冷却至 

也增加,但增加到一定量时,二氧化钛的比表 

面积最大,之后又逐渐减小。 

表2不同工艺参数制备的C/TiO 的比表面积 

第3期 曹小艳袁颂东:磷、碳共掺纳米TiO:降解车内VOCs的性能研究 29 

一一 

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 

pip

.. 

a样品A 

0.Ol2 

i 0.010 

0.008 

6 5 

O 0 

O.10 0.】5 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 

p/p 

}l样I I 

O.O12 

0.0l0 

H 0.008 

O.10 0.15 0.2O 0.25 0.30 0.35 0.40 

ldp

,. 

样品C 

图2 样品A、B、C的吸附/脱附等温线 

2.3 SEM—EDS 

图3为所制的磷、碳共掺纳米TiO,的SEM 

图像。图3(a)表示的是纳米颗粒整体形貌, 

图3(b)表示的是其局部形貌,根据图貌可知 

所制备的共掺纳米TiO 粒径为1~10 nm左 

右。颗粒分布比较均匀,均为球形状,是由纳 

米结构的团簇组成。但图3(a)还是存在少许 

团聚现象,原因主要是分散剂在低温下发生团 

聚的现象而造成的。 

图4是低温水热法制备的共掺碳和磷的TiO, 

纳米颗粒的EDS图。从图4中可以确定磷元素和 

碳元素都存在于Ti02中,磷的含量相对碳的含量 

较高些,还可以明显地看出磷、碳2种非金属元素 

都已经成功的被掺进TiO,纳米颗粒中。 

a纳米颗粒整体形貌 b纳米颗粒局部形貌 

图3 共掺型TiO:纳米颗粒的SEM图 

鹱丑莨 

3 2 ● 

0 0 O 

0 2 4 6 8 lO 

能量(k0V) 

图4 共掺碳和磷的TiO 纳米颗粒的EDS图 

2.4 磷、碳共掺纳米TiO 催化剂的催 

化性能研究 

图5为被检测物地毯基材空白样品的气相 

色谱图像,图6和图7是被测地毯基材用不同催 

化剂进行处理后的气相色谱图像。空白样品和 

光催化降解后对应的VOCs含量组份在保留时间 

内的浓度和峰面积大小分别如表3、表4、表5所 

示。图表数据显示:空白样VOCs总浓度是 

0.872 0 mg/m ,经过不同催化剂处理3 h后浓度分 

别为0.345 8 mg/m 、0.095 05 mg/m ,降解率分别 

为60.34%、89.10%。从这个结果可以推断:催化 

剂经共掺后的催化性能大大提高了。 

图5 车内饰件空白样气相色谱图 

4 

O 

黄石理工学院学报 2012年 

表3 地毯基材空白样品VOCs组份的浓度和峰面积 

图6碳掺杂后的光触媒车内饰件处理后气相色谱图 

表4 地毯基材样品经过未掺光触媒 

催化后VOCs组份的浓度和峰面积 

图7共掺光触媒对车内饰件进行处理后气相色谱图 

表5地毯基材样品经过共掺光触媒 

催化后VOCs组份的浓度和峰面积 

序号保 

( J

称 (

h 

 

(m 

 

m )J l m J 

2.5 车内VOCs初始浓度对光催化降解 

的影响 

图8为不同初始浓度对车内饰件所含 

VOCs总量的降解率随时间变化的情况。由图 

8可知,催化剂对初始浓度0.8 mg/L的TVOC 

的变化情况是随着气体初始浓度的增加而增 

加,反应4 h的降解率可达86%;但对于初始浓 

度为0.4 mg/L、0.2 mg/L的TVOC气体,在反应 

3 h后,其降解率却均达不到4O%,6 h后3种 

初始浓度(0.8 mg/L、0.4 mg/L、0.2 mg/L)的 

VOC的降解率分别达到93.40%、8O.06%、 

65.6%。这是因为在初始浓度高时,单位空间 

内TVOC气体分子数就越多,单位时间内与光 

致・OH基结合的TVOC分子数就越多,所以反 

应速率就越大 。 

第3期 曹小艳袁颂东:磷、碳共掺纳米TiO 降解车内VOCs的性能研究 31 

^ 碍莲登 

∞ ∞加加 ∞如如m 0 

2 4 6 

时问(I ) 

图8 初始浓度对降解车内饰件的催化降解率 

2.6 样品材料配比不同对催化降解的 

影响 

要使光触媒喷液能够喷涂在车内饰件表 

面不影响其美观,并且使其表面无任何褶皱现 

象,那么对光触媒喷液的分散效果不仅要求好 

还要均匀。本研究通过多次重复实验得到最 

优化的配比方式为C/TiO 比值0.026。用制 

备出的光触媒喷液来降解车内的海绵座垫,测 

定了5种不同的材料配比方式(使用光触媒液 

体积1 L)。从表6可以明显看到:在采样条件 

都相同的条件下样品4的降解效率高达 

91.9%,分散效果也是其中最好的。由表格数 

据还可以算出TiO:/C的最佳质量比值是39。 

原因可能是抑制剂过量或是少量,达不到pH 

值的要求,反应前pH值要控制到l,反应后样 

品的pH与TiO:的等电点相近或相等 J。 

表6制备光触媒的原料配比和 

光触媒降解车内VOC的关系 

3 结论 

1)从XRD谱图数据分析,用3种不同钛 

源物质在相同条件下反应,制备得到的共掺 

TiO 纳米粉体均为锐钛矿型,随着反应时间的 

改变,样品的品化程度也会发生改变。而且掺 

C量不同的C/TiO2纳米粉体在EDS谱图中显 

示,不掺杂的晶粒尺寸比掺杂后的要大得多, 

在掺P量一定时,C/TiO 最佳比值为0.026。 

2)根据BET数据分析,样品随着反应时间的 

减少,BET比表面积则随之增大;且碳元素的引 

入量适中,二氧化钛的比表面积最大,尺寸也更 

小,粉体平均粒径尺寸近似为2.044 Bin。 

3)对SEM—EDS图像的分析结果表明:低 

温水解所制备的TiO 均为粉体状,然而P和c 

的引入对TiO:纳米粉体的整体形貌并没有产 

生大的影响。但引入P和C元素后,纳米TiO, 

粉体的粒径却发生很大的变化,适当的共掺明 

显使粉体的粒径变小,而且也减小了掺杂后的 

纳米粉体团聚程度。 

4)实验优化结果表明,非金属共掺的TiO, 

纳米配制的光触媒喷液的降解效果有很大的 

提高,同样的被测饰件(地毯基材),掺杂后的 

降解率可以达到90%以上,未掺杂的TiO,纳 

米配制的光触媒喷液只有40%左右。 

参考文献 

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(责任编辑高嵩) 


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