鈷基尖晶石催化劑用于VOCs光熱催化降解
北極星VOCs在線訊 :我國目前處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)體量大，在能源的快速消耗下，隨之而來的大氣污染問題也愈發(fā)突出。揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是重要的大氣污染物，其來源豐富，種類繁雜，且多為有毒有害物質(zhì)，對人體健康產(chǎn)生了極大的威脅。此外，VOCs還會與大氣中的氮氧化物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成毒性更大的光化學(xué)煙霧。因此，VOCs的治理已經(jīng)成為亟待解決的環(huán)境難題。
在眾多的 VOCs控制技術(shù) 中，催化燃燒和光催化氧化因其對VOCs的深度降解能力而被廣泛應(yīng)用，但二者均存在一定的不足。 VOCs催化燃燒 雖然擁有著較好的降解效率，但其需要大量的熱能作為驅(qū)動(dòng)力，這導(dǎo)致了化石燃料的消耗，從而衍生了新的環(huán)境污染問題。而傳統(tǒng)的光催化氧化VOCs方式，受限于光催化材料自身的能帶限制，只能利用太陽光中的紫外和部分可見光，而浪費(fèi)了太陽光中的紅外光能（占太陽光能量48%），導(dǎo)致了太陽能量子效率低和偏低的VOCs降解效率。鑒于紅外光的強(qiáng)加熱作用，利用太陽光中的紅外光能來驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)， 有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光、熱催化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光照下的高效率VOCs降解。針對這一反應(yīng)，面臨的科學(xué)問題主要是如何廣譜的吸收太陽能，并將太陽能高效的轉(zhuǎn)化成熱能引入催化反應(yīng)中，其關(guān)鍵在于擁有高效催化性能和光吸收能力的材料的研發(fā)。
針對此問題，中科院城市環(huán)境研究所環(huán)境功能材料與氣態(tài)污染物控制研究組合成了一系列對VOCs光熱降解具有優(yōu)異催化活性和穩(wěn)定性的ACo2O4 (A = Ni, Cu, Fe, Mn) 尖晶石結(jié)構(gòu) 催化劑 。 其中，NiCo2O4 在 500 mW/cm2 的光強(qiáng)下展現(xiàn)出了較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換能力 (表面溫度214oC)，對甲苯的高效轉(zhuǎn)化能力 (甲苯轉(zhuǎn)化93%，礦化率80%) 和較強(qiáng)的穩(wěn)定性 (至少20 h)。通過系統(tǒng)的表征發(fā)現(xiàn)，在鈷基尖晶石材料上添加第二金屬能夠有效的調(diào)變材料的光吸收能力及光熱轉(zhuǎn)化能力，同時(shí)還能夠改變材料的化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)光熱反應(yīng)的高效進(jìn)行。此外，研究組還發(fā)現(xiàn)，相比于單純的熱催化反應(yīng)，光熱反應(yīng)下的催化劑能夠展現(xiàn)出更高的反應(yīng)活性，這是由于光照對材料表面活性氧物種的遷移有促進(jìn)作用所導(dǎo)致的。該研究為高效光熱催化劑的開發(fā)應(yīng)用提供了新方向。
相關(guān)研究成果以“Photothermocatalytic performance of ACo2O4 type spinel with light-enhanced mobilizable active oxygen species for toluene oxidation” 為題發(fā)表于Applied Surface Science 2019, 484, 479–488。中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所博士生陳希為第一作者，賈宏鵬研究員為通訊作者。
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來源: 城市環(huán)境研究
