光电耦合促进气相污染物分解净化方法与流程

本发明属于气相污染物净化处理与节能资源化技术领域，涉及Pt/TiO₂-ZnO纳米复合催化剂、及光电催化功能膜组件的制备，及其光电催化协同作用，分解净化污染物且产生电能，同时对空气中VOCs的降解起到促进作用，有助于提高空气质量，为治理室内空气污染起到促进作用。

背景技术：

催化氧化甲醛的操作温度通常远高于室温，难以满足室内空气净化所需的常温常压、能耗低的要求,因此只有开发出室温、常压下能完全氧化甲醛为H₂O和CO₂的材料,才有希望实现催化氧化技术在室内空气甲醛净化方面的实际应用.室内污染物甲醛的浓度一般较低，如何提高低浓度下污染物的去除效果，成为了研究者的研究焦点。不同的净化方法(植物生态法，物理吸附法，臭氧氧化法，光催化技术，热催化氧化技术)，在能够发挥净化作用的同时都存在着各自的局限性。目前，将Pt/TiO₂-ZnO光电催化引入电光协同反应中去除室内甲醛的报道还未出现。

为了提高室内低浓度条件下污染物的去除效果，实验前期将光催化技术和电催化技术相结合，将Pt/TiO₂-ZnO催化剂引入光电协同反应器中，以达到去除污染的目的，贺泓组研究负载型贵金属催化剂用于室温催化氧化甲醛和室内空气净化中，将Pt/TiO₂催化剂在室温下去除甲醛，有较好的去除效果。目前，以Pt/TiO₂-ZnO作催化剂，将此二者技术相结合，大大的降低了室内空气中甲醛的含量，在室内空气净化技术中有重要意义。

TiO₂多相光催化在环保领域内的水和气相有机、无机污染物的光催化去除方面取得了较大进展，被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术；TiO₂以其化学稳定性好、无毒、廉价易得等特点，被誉为较为理想的环境治理光催化剂；纳米TiO₂粒子具有比表面积大、扩散性好等特性，用TiO₂作载体的催化剂具有活性高、选择性好、抗中毒性强、低温活性好、表面酸性可调、高温可还原等优点；不过，单一TiO₂在光催化过程中也存在着一些缺陷，例如，带隙较宽，只能吸收紫外光和光催化效率较低等.为此，将TiO₂与其他半导体材料复合的研究逐渐增多；相关研究显示，TiO₂与其他半导体材料复合后，所合成的复合材料往往比单体具有更好的物理化学性质和光催化活性.

另外，ZnO属于宽禁带(3.37eV)半导体材料，其独特的光学和电学性能不仅使其在纳米激光器、太阳能电池等中得到广泛的应用，而且在光电催化降解有机污染物的应用中也有着显著的表现.同时，ZnO化学性能稳定，原料丰富，价格低廉等优点，也使其成为一种有着广泛前景的催化材料。应该说，从半导体禁带宽度及导带和价带的能级位置来看，TiO₂和ZnO是目前比较理想的光催化剂，将TiO₂和ZnO复合在一定程度上可有效提高其光电催化的性能。

多数研究结果表明，负载Pt等贵金属能提高二氧化钛的光催化活性，载铂还能延长光催化剂的失活时间，并且具有很好的导电能力，其纳米颗粒的大小光电耦合系统中有助于促进气相污染物的净化。本申请以Pt/TiO₂-ZnO作为实验催化剂，希望以此催化剂能够大大降解气相污染物，以达到空气净化的效果。

技术实现要素：

本发明设计了Pt/TiO₂-ZnO光电催化多功能膜组件，成功构建了光电耦合催化净化系统。该膜不仅可以用作电极，还兼具光催化作用以及导电,整体处理净化效率大大提高，能耗较低，其污染气体的浓度大大降低。该系统理论上可降解气相污染物，扩展了负载型光催化剂的应用，以及在处理其他气象污染物时提供了一些思路。

本发明的技术方案：

光电耦合促进气相污染物分解净化方法，步骤如下：

(1)制备纳米xPt/TiO₂-ZnO系列复合物：向ZnSO₄溶液添加甲醇，调节pH＝9，再添加钛酸正四丁酯，搅拌得到白色溶胶；然后，在70℃温度条件下，搅拌形成白色粉末，干燥碾磨，在500℃温度条件下煅烧2h，冷却，碾磨成粉，即为TiO₂-ZnO；其中，ZnSO₄溶液中的水与加入的甲醇的体积比为1:4，得到的TiO₂-ZnO中Zn/Ti的质量比为1/10；将TiO₂-ZnO溶于水中，再加入H₂PtCl₆，搅拌，并调节pH＝8，在70℃温度条件下，加入HCHO，继续搅拌2h，得到混合物经离心，烘干，研磨，获得纳米xPt/TiO₂-ZnO；其中，H₂PtCl₆与HCHO的体积比为1：3，x为Pt与Ti的质量比，0.2～1.0；

(2)光电催化膜组件制备：向步骤(1)制备得到的纳米xPt/TiO₂-ZnO系列复合物中添加0.2g硅溶胶，超声均匀，将其涂抹于不锈钢网片上，每平方厘米面积上纳米xPt/TiO₂-ZnO系列复合物的负载量为3.7mg，放入烘箱干燥，将膜固定在组装的膜组件上；

(3)光电耦合催化净化系统构建：光电耦合系统通过质子交换膜分为两室，一室中放有0.5mol/L K₂SO₄溶液作为电解质，铜丝插入电解质中；另一室中接触气相污染物并放置光电催化膜组件和自然光灯，两极经铜导线和外电阻连接，形成电路，自然光灯垂直照射膜电极，模拟太阳光。

本发明的有益效果：该系统集成了光催化净化和电催化净化以及光电协同作业，降解去除空气中的室内气相有机物，尤其是VOCs；对室内空气中挥发性有机物实现有效净化，该系统中光催化剂能够很好地保证其不失去活性，并且能够产电。

附图说明

图1是电催化(EC)作用下不同的电阻值下，降解净化甲醛气体的效果对比题，图中，横坐标为时间(min)，纵坐标为甲醛含量(ppm)。

图2是光催化(PC)，电催化(EC)，光电催化(PEC)耦合三种不同的方式在密闭空间中外电阻作用下处理净化测定甲醛气体去除效果对比图。图中，横坐标为时间(min)，纵坐标为甲醛含量(ppm)。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例一：电催化系统处理室内甲醛气体

圆柱系统中放入膜组件，里面注入0.16ppm甲醛气体，并将膜组件放入甲醛气体氛围中，并插入一根铜丝连接电解质为0.5mol/L K₂SO₄溶液的阳极，将在不锈钢网上涂覆有催化剂的光电阴极用鳄鱼夹连接膜上方，两极之间连接不同的外电阻形成电路。反应前将小风扇打开以进行均匀混合，反应时，连接电路，每隔15分钟用甲醛检测仪检测系统中甲醛浓度，反应时长2h，并计算甲醛的去除效率。

图2中，电催化去除效果最佳，为53％。且去除效率远远优于13.4％，39％，29％的去除效率。

实施例二：光电耦合系统处理室内甲醛气体

在圆柱系统中，将膜组件和自然灯光均放入系统中，用铜丝放入用质子交换膜隔开的电解质阳极中，光催化剂接触系统中的甲醛气体为光电阴极，用鳄鱼夹连接膜上方，并有外电阻进行连接，将自然光灯放入反应装置中，反应时打开7.5W220V LED线条灯，反应前关闭电源，通过反应器内小风扇进行混合，实现反应器中的甲醛气体混合均，反应开始后，每隔15min用甲醛检测仪进行取样，反应共进行2h，并计算甲醛的去除率。

图2中，有光催化，电催化，光电耦合进行对比，发现光电耦合系统在密闭空间去除甲醛的效率(74％)远远优于光催化(42％)和电催化(13％)。