一种高效降解氨气污染物的新型纳米催化剂及应用的制作方法

本发明属于气相污染物净化处理、去除恶臭氨气等空气污染物技术领域，主要涉及sn-v2o5新型纳米催化剂、光电催化功能膜组件的制备及在不锈钢反应器中对氨气污染控制进行消除的系统，用新催化剂实现了氨气的高效去除，且效果稳定，为进一步开发其他空气污染物的高效降解催化剂提供了参考，为治理臭气污染及净化空气方面提供科学基础。

背景技术：

恶臭气体排放导致的问题，己成为七大环境公害之一。气态氨(nh3)是一种来源广泛的常见主要的恶臭污染物，主要源于农业大量施用氮肥和持续扩大的禽畜养殖业。nh3作为一种有毒的大气污染气体，对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，不仅可以经肺泡进入血液与血红蛋白结合，破坏血红蛋白的运输氧功能，使生物体出现组织缺氧，从而降低生物体的抵抗能力，危害动物和人体健康和生命。另外氨气可附着在尘埃上，迁移到更远的地方，沉降后会造成土壤和水体的酸化，导致生态系统的富营养化，对生态环境有破坏作用，严重污染环境。最近研究表明，氨气也是导致雾霾和颗粒物形成的重要诱因之一。但之前的研究大都针对二氧化硫、氮氧化物、甲醛、挥发性有机物等，而光催化降解有毒氨气的研究却被大多数人忽略。

传统的处理技术，如吸附和通风等，不能完全消除nh3。选择性催化技术(sco)可以使用各种催化剂金属，金属氧化物完全去除氧化nh3，但它们无法实现在室温下有效地去除气态nh3。近年来，光催化技术被用于空气净化领域，它可以通过使用具有独特性质的纳米结构光催化材料做催化剂，利用光能将各种污染物在环境温度下将空气污染物如甲醛、挥发性有机化合物等降解成无害的最终产品，如co2或h2o及其他小分子物质等，并且没有显著的能量消耗。因此，光催化氧化技术(pco)被认为是一种很有前景的空气净化技术。其过程是在光的作用下，光催化剂表面形成活性物种，通过与污染物发生氧化还原反应来将其降解成无害终产物。目前空气净化的创新前沿，将电场引入光催化，增强光催化效果的研究逐渐增加。但将光催化和电催化耦合用来处理降解氨气的研究却不多。

最近，层状氧化钒(v2o5)材料由于其优良的物理化学性质获得关注。v2o5是一种n型半导体，具有红外反射率和透射率，在室温下带隙为2.38ev，有较高的比容量和能量密度，以及磁化率，可变氧化态等性质。由于这些优异的性能，v2o5被广泛用作电池，存储介质，传感器，催化器等中的阴极材料。纳米尺寸的材料具有各种有趣的性质，例如更大的比表面积，更短的扩散距离，高结晶度，更好的导电性等。纳米材料的这些特性直接影响材料的性能。由于钒离子的可变氧化态的存在，使v2o5纳米材料形成一层氧化物表面，可以改善气体化学吸附的缺陷，从而促使其在室温下可以快速降解污染物。

多数研究结果表明，阳离子掺杂是改进v2o5材料性能的有效方法，主要是因为外来离子引入v2o5晶格可以调节离子占有和主体材料的电子结构。其中锡离子掺杂已被证明也是改进金属氧化物材料性能不错的阳离子。

微生物燃料电池(mfc)是利用产电微生物将有机化合物中的化学能转化为电能的装置。目前，将sn-v2o5光催化材料引入光电协同微生物燃料电池系统中去除空气中氨气的报道还未出现。

本申请以sn-v2o5作为催化剂，以此催化剂快速去除有毒氨气，并在耦合微生物燃料电池的过程中，达到空气净化和消除恶臭污染的效果。

技术实现要素：

本发明制备了一种去除氨气效率高、制备过程简单、稳定性高的新型半导体催化材料，成功构建了sn-v2o5光电催化膜组件和空气污染模拟净化系统。该体系整体处理净化效率较快，能耗较低，使其有毒氨气的浓度在短时间内大幅度降低。

本发明的技术方案：

一种高效降解氨气污染物的新型纳米催化剂，步骤如下：

制备新型纳米催化剂x％sn-v2o5：通过溶胶-凝胶法在低温下合成sn掺杂的v2o5纳米颗粒；合成过程如下：首先，在搅拌条件下，将v2o5粉末加入去离子水和30wt％h2o2形成的混合溶液中，其中，h2o2与v2o5的摩尔比为10:1，形成0.3mv2o5溶液；将得到的v2o5溶液在室温下搅拌20min，然后超声处理一段时间；随后，将v2o5溶液进一步稀释至溶液浓度不低于0.07m，再进一步超声处理90min，处理温度为60～45℃；超声处理后，将得到棕红色的v2o5凝胶进行稀释处理；稀释后的溶液浓度保持在0.037～0.027m之间，随后将溶液搅拌直至颜色变为透明的砖红色；将固体sncl4·5h2o溶解于少量去离子水中形成溶液，与所获得的v2o5的砖红透明溶液混合；再在水浴锅中加热搅拌3h使溶液变为凝胶直至干结；然后在室温下干燥，研磨，过筛，获得纳米sn-v2o5复合物，即为新型纳米催化剂；其中，x％为sn与v2o5的质量比，1～6。

一种高效降解氨气污染物的新型纳米催化剂的应用：

(1)光电催化膜组件制备：向制备的纳米sn-v2o5复合物中加入硅溶胶，控制硅溶胶的浓度为4μl/㎎，搅拌均匀，将其涂到预处理后的不锈钢导电载体上，实验中不锈钢网每平方厘米面积上纳米催化剂sn-v2o5的负载量大约为1～1.5mg，放入烘箱恒温干燥10min，取出将膜固定在组装的膜组件上；

(2)不锈钢的大气污染环境模拟系统构建：光电催化膜组件通过质子交换膜分为两室，一室中放有0.5mol/lk2so4溶液作为电解质，铜丝插入电解质中；另一室固定放有涂覆了纳米催化剂的不锈钢网，使纳米催化材料直接暴露于气相污染物中，与污染物接触，距离膜组件6～8㎝处放有可见光光源，两极用鳄鱼夹经导线和外电阻连接，形成闭合回路，灯用来模拟太阳光；耦合微生物燃料电池时则是将电解质溶液更换为含有产电微生物的溶液，同时用碳棒代替铜丝将产电微生物产生的电导出。

所述的气相污染物为恶臭污染中的氨气污染物。

本发明的有益效果：该系统集成了电催化、光催化及耦合微生物协同作用，降解去除空气中的有毒氨气；新型纳米催化剂可以对空气中的氨气进行快速的吸附和催化降解，该系统在催化体系中，净化效果显著，而且其稳定性较好，为以后的催化降解氨气等其他气体污染控制提供科学支持。

附图说明

图1是暗吸附，光催化(pc)，电催化(ec)，光电催化(pec)以及光电催化耦合微生物(pmfc)五种不同的体系下测定的氨气降解效果对比图。图中，横坐标表示时间(min)，纵坐标表示降解率c/c0。

图2是100ppm(2μlnh3·h2o)氨气在不同导电基底上的光催化降解效果对比图。图中，横坐标表示时间(min)，纵坐标表示降解率c/c0。

图3是在不同外加电压的作用下，体系降解净化氨气的效果对比题，图中，横坐标表示时间(min)，纵坐标表示降解率c/c0。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例一：不同体系下去除氨气

不锈钢反应器系统中放入膜组件，里面注入2μlnh3·h2o(100ppmnh3)，系统中固定的小风扇，在反应前打开，使氨气能够快速挥发并在系统中充分混合，不同体系的膜组件暴露于氨气气体氛围中处理降解氨气。处理过程中每隔10min用氨气便携式检测仪检测系统中的氨气浓度，反应时长65min，并计算氨气的去除效率。不同体系下，膜组件及外部电路连接与光照控制都不同：

暗吸附体系：将附有纳米催化剂2％sn-v2o5的膜固定在膜组件上，放到不锈钢反应系统中，不加光照，外电阻不用导线连接；

光催化体系：加光照，其他条件同暗吸附体系相同；

电催化体系：催化膜组件用质子交换膜分为两室，一室中插入一根铜棒连接电解质为0.5mol/lk2so4溶液的阳极；另一室固定涂覆有催化剂的不锈钢网，并用鳄鱼夹分别连接铜丝与不锈钢网两级，两极经导线和外电阻连接，形成闭合电路，不加光照；

光电催化体系：光电催化膜组件处理与电催化体系相同，加光照；

光电催化耦合微生物燃料电池体系：光电催化膜组件的一室用含有产电微生物的营养液代替电解质溶液，同时用碳棒代替铜棒向另一极导电，其他条件同光电催化体系相同。

图1中，ec体系去除效果最佳，为94.58％，可知纳米光催化材料sn-v2o5在电激发下性能优越，远高于光催化体系(去除效率为82.2％)；且pc-mfc体系相比pec体系，其整体降解效率更高。

实施例二：氨气在不同的导电基底上的光催化降解

将8㎎纳米催化剂2％sn-v2o5分散在30ul硅溶胶溶液中，混合均匀，分别涂覆于不同的导电基底上形成光催化膜电极，在不锈钢反应系统中放入光催化膜电极和自然光灯，将系统密封并向其内注入2.0ul氨水(100ppmnh3)，反应前将系统内的风扇打开以使氨水快速挥发并持续混合均匀，反应时，打开光源，反应开始后，每隔10min用氨气便携式检测仪检测系统中氨气的浓度，反应时长65min，计算氨气的去除效率。

图2中，导电基底分别有碳毡、碳纤维布、不锈钢网和和导电玻璃，这四种导电基底中碳毡由于自身吸附性太强，故无法明确判断纳米材料对氨气的光催化降解效果；其余三者的降解效果也有不同，其降解率为：碳纤维布＞不锈钢网＞导电玻璃，相比碳纤维布，不锈钢网的导电效果良好，且使用方便。

实施例三：在不同的外加电的作用下去除氨气

在不锈钢反应系统中，将膜组件放入系统中，将电催化体系中的铜棒更换为碳棒，将碳棒放入用质子交换膜隔开的电解质阳极中，涂有光催化剂的不锈钢网膜接触氨气，并分别用鳄鱼夹将两级、外电阻与外加直流电源进行连接，系统中的气体用小风扇混合，反应时，关闭光源，反应开始后，每隔10min用氨气便携式检测仪检测氨气的浓度，反应共进行65min，并计算其去除率。

图3中，在不同的外加电压下，发现外加电提供的电能在密闭空间去除氨气的效率(＞94％)与电压值(0.5v～2.0v)的大小没有很大的相关度。也说明该纳米催化剂的降解效率在电场的激发下会显著的提高。