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甲醛的传统处理方法主要有吸附法[1]、植物净化法、等离子体技术、负离子技术和热催化氧化等,这些方法在处理室内甲醛时效果不佳。光催化氧化[2-4]和室温下催化氧化[5-6]作为新型催化氧化技术,是应用前景广阔的室内空气净化方法。尤其是光催化剂能够在室温下利用光能进行甲醛气体降解,对低浓度污染物去除效率也很高,并且能够长期起效,成为近年来的研究热点[7-9]。然而,由于室内的光线为可见光,光的强度也往往不高,单组分光催化剂在此条件下催化性能较低,因此,需要开发可见光响应型复合光催化剂,才能高效降解室内甲醛气体。
BiOBr是一种可见光催化剂[10],与其它材料复合能够有效提高其催化性能[11-13]。还原氧化石墨烯(RGO)具有优良的导电性和巨大的比表面积,BiOBr/RGO复合材料在可见光下具有很强的光催化活性,就是源于BiOBr的光生电子可以迅速迁移到RGO表面,从而有效提高了光生载流子的分离效率[14];而且,RGO对污染物有一定的吸附富集作用,这也对光催化剂的性能提高很有利[15]。应用光催化剂和多孔材料构建的复合催化剂具有很高的光催化降解性能,原因是多孔材料具有很大的比表面积、大量的孔隙、良好的分散性和很强的吸附性,可以吸附富集低浓度污染物,富集的污染物分子可以通过二者之间的界面从吸附剂向光催化剂转移[16]。硅藻土(diatomite,DT)是制备复合光催化剂的一种良好的多孔材料,它的多孔形态和表面羟基使其能够吸附富集空气或水中的污染物分子,提高光催化剂的性能[17]。基于吸附富集-光催化协同降解低浓度气态甲醛这一思路,使用BiOBr、RGO和硅藻土构建三元复合催化剂,会产生更好的协同作用效果。
本研究使用溶剂热法制备复合光催化剂BiOBr/RGO/DT,并对催化剂的形貌、组成和光吸收性能等进行详细表征。筛选出复合催化剂中硅藻土和BiOBr的最佳比例,并研究复合催化剂降解气态甲醛的机理。本研究可为室内气态甲醛和其他挥发性有机污染物的净化提供参考。
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电热鼓风干燥箱(DHG-9079A,上海一恒科学仪器有限公司),超声波清洗器(KQ-100B,昆山超声仪器有限公司),小型高速离心机(5427,德国Eppendorf),模拟日光氙灯光源(CEL-S500,北京中教金源科技有限公司),恒流泵(BT-100,上海沪西分析仪器有限公司);可见光分光光度计(L3,上海仪电分析仪器有限公司),X射线衍射仪(XRD,Bruker D8-advance),扫描电子显微镜(SEM,TESCAN MAIA3),X射线光电子能谱(XPS,ESCALAB 250Xi,Thermo Scientific),紫外-可见光谱仪(岛津 UV-2550),电子顺磁共振波谱仪(ESR,JES FA200),自动吸附仪(Micromeritics ,ASAP2010 V402A)。1-十六烷基-3-甲基溴咪唑(C20H39BrN2);乙二醇甲醚(C4H10O2);五水合硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O),甲醛(39~40%,CH2O),冰醋酸(C2H4O2),乙酸铵(CH3COONH4),乙酰丙酮(C5H8O2)均为分析纯;鳞片石墨粉和硅藻土为化学纯。
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首先,采用改进Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),然后将GO还原为RGO[18]。复合光催化剂中RGO的添加量为相对于BiOBr的质量分数。复合光催化剂BiOBr/RGO/DT制备方法:将0.97 g Bi(NO3)3·5H2O和 1.16 g [C16mim] Br加入到 40 mL乙二醇甲醚中,磁力搅拌彻底溶解,标记为溶液A。以RGO添加量1%为例,取6.1 mL RGO溶液(1 mg·mL−1)和0.303 g硅藻土加入到40 mL乙二醇甲醚中,超声30 min后继续搅拌30 min形成悬浮液B。将溶液A和悬浮液B混合,继续搅拌30 min,然后装入100 mL水热釜中,在160 °C下反应2 h。反应完毕后,离心分离、收集沉淀物,并用去离子水和乙醇交替洗涤数次,在60 °C下真空干燥12 h,制备得到的复合光催化剂中硅藻土与BiOBr的理论质量比为0.5∶1,标记为BiOBr/RGO/DT-0.5。改变硅藻土的加入量分别为0.606、0.909、1.212和1.818,其它条件不变,按照上述步骤可以制备出光催化剂BiOBr/RGO/DT-1、BiOBr/RGO/DT-1.5、BiOBr/RGO/DT-2和BiOBr/RGO/DT-3。
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自制的气态甲醛光催化降解实验装置总体积为约2.7 L,实验时处于密封状态。该装置的光照反应器具有石英玻璃窗口,500 W 氙灯作为光源,加装紫外线截止滤光片(UVcut 400)。将0.5 g 复合光催化剂BiOBr/RGO/DT分散在2 mL乙醇中制备成浆料,然后用油画笔均匀涂刷到固定面积的毛玻璃表面,避光干燥后放入光照反应器底部。连接好管路,盖上反应器的石英密封盖,管路可切换到干燥器管调节体系中空气的湿度。用微量注射器吸取一定量的甲醛溶液注入到缓冲瓶中。开启恒流泵,使甲醛溶液完全挥发。然后打开氙灯进行光催化降解反应。经过3 h反应完毕后,关闭氙灯和恒流泵,在进入缓冲瓶的管路前接入甲醛吸收管,然后打开恒流泵,循环吸收1 h后,再切换干燥空气继续缓慢吹0.5 h,将吸收液移入100 mL容量瓶中。反应用过的催化剂用去离子水洗涤、离心3次。洗涤液和吸吸收液合并一起定容,采用乙酰丙酮分光光度法[18]对甲醛的质量浓度进行测定。用式(1)计算甲醛的光催化降解效率。
式中:η为降解效率,%;C0为初始甲醛质量浓度,mg·L−1;Ct为降解时间为t时甲醛剩余质量浓度,mg·L−1。
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1) XRD分析。使用XRD对硅藻土、BiOBr和复合光催化剂BiOBr/RGO/DT的晶相和成分进行了研究。如图1所示,硅藻土的谱图在2θ=21.9°、31.5°和36.1°处有3个特征峰,它们归属于SiO2的方石英石晶相(JCPDS卡号:39-1425)[19]。BiOBr的衍射峰归属于BiOBr的纯四方相(JCPDS卡号73-2061)[20]。复合光催化剂BiOBr/RGO/DT中出现的衍射峰分别归属于BiOBr和硅藻土,随着硅藻土含量的增加,硅藻土的特征峰也增强。硅藻土的存在不会影响BiOBr的晶相结构。BiOBr/RGO/DT图谱中没有发现RGO的峰,这是因为,RGO的量太低的缘故。未检测到其他杂质峰,这说明合成的催化剂纯度比较高。尖锐的衍射峰表明制备的材料具有良好的结晶度。
2) SEM分析。BiOBr、硅藻土和复合光催化剂BiOBr/RGO/DT-1.5的SEM图像如图2所示。从图2(a)可以看出,单一的BiOBr是由薄纳米片组成的纳米花球;硅藻土有很多的孔隙(图2(b)),这种高孔隙率的材料具有良好的吸附性能和较大的比表面积,适合作为纳米光催化剂的载体。制备的复合光催化剂BiOBr/RGO/DT-1.5(硅藻土含量60%)由大量BiOBr纳米片附着在硅藻土表面,分布均匀(图2(c)),从高倍SEM图可以看到,硅藻土表面附着了分散的BiOBr纳米片(图2(d))。硅藻土可以作为固体分散剂有效分散BiOBr,防止其聚集,暴露出BiOBr的活性位点。硅藻土的用量对BiOBr纳米片的分布有很大影响,随着硅藻土含量的增加,BiOBr的分布变的更加均匀,在硅藻土与BiOBr比例为1.5时,分布效果最好。由于RGO的量只有BiOBr的1%,所以在SEM图中很难看出来。在水热反应过程中,RGO与BiOBr复合,并一起结合在硅藻土表面。
3) XPS分析。用X射线光电子能谱研究了催化剂的元素组成和表面化学状态(图3)。以C1s峰(284.8 eV)校正所有的峰位置。从样品的全扫描图谱(图3(a))可以看出,纯BiOBr含有Bi、O和Br元素成分;硅藻土主要由Si和O元素组成;样品BiOBr/RGO/DT-1.5中的Bi、Br、O和Si元素的特征峰与BiOBr和硅藻土的元素特征峰相一致。采用高分辨率XPS研究了复合光催化剂BiOBr/RGO/DT-1.5的表面原子化学状态。对于纯BiOBr,Bi 4f7/2和Bi 4f5/2的峰分别位于159.64和164.95 eV处(图3(b)),Br 3d5/2和Br 3d 3/2的峰分别位于68.76和69.80 eV处(图3(c))。硅藻土的Si 2p轨道的结合能为103.37 eV(图3(d))。但是,在复合光催化剂BiOBr/RGO/DT-1.5中,Bi 4f7/2和Bi 4f5/2的峰分别位于159.30和164.61 eV处,Br 3d5/2和Br 3d3/2的峰分别位于68.36和69.40 eV。可以看出,相对于纯BiOBr,BiOBr/RGO/DT-1.5的Bi 4f结合能向低偏移0.35 eV左右,Br 3d的结合能向低偏移了约0.4 eV;而相对于纯硅藻土,Si 2p的结合能则向较高处偏移了0.22 eV。结合能的偏移表明复合光催化剂中硅藻土上的电子偏移到了BiOBr[21],这说明BiOBr和硅藻土的SiO2之间有较强的化学键作用。
4)紫外-可见漫反射光谱分析。所制备的催化剂的光学性质通过紫外-可见漫反射吸收光谱进行了研究。如图4(a)所示,BiOBr的吸收带边缘约为430 nm,与纯BiOBr相比,复合光催化剂BiOBr/RGO/DT的吸收边界基本没有变化。通过公式计算纯BiOBr的带隙[22]:αhν =A(hν-Eg)n/2。其中α,h,ν,A,n和Eg是光吸收系数,普朗克常数,光频率,常数,4(BiOBr作为间接跃迁半导体)以及带隙能量。因此,从图4(b)可看出,制备的BiOBr的带隙能(Eg)为2.71 eV。由莫特-肖特基图可以得出BiOBr的价带(VB)位置[23];图4(c)中p型光催化剂BiOBr的平带电势(Efb)约为2.60 V(vs. NHE),和它的价带电势(EVB)大约相等[24]。由公式EVB = ECB + Eg[25],可以计算出BiOBr的导带电势(ECB)的值为-0.11 V(vs. NHE)。图4(d)示意图描述了BiOBr的能带结构。
5) BET分析。图5分别为硅藻土、BiOBr和BiOBr/RGO/DT-1.5复合材料的N2吸附-脱附等温线和孔径分布。从图5(a)可以看出,硅藻土的 N2 吸附-解吸等温线显示出II 型等温线特点,这表明硅藻土中存在大孔隙[17, 26] 。BiOBr 和BiOBr/RGO/DT-1.5复合材料显示出IV 型等温线,其中 H2 和 H3 滞后线重叠,这说明材料存在墨水瓶状和狭缝状孔隙。材料的孔径分布如图5(b),BiOBr/RGO/DT-1.5的孔径主要分布为6~40 nm,硅藻土、BiOBr和BiOBr/RGO/DT-1.5复合材料平均孔径分别为10.6、16.4和18.9 nm。硅藻土的BET比表面积和孔容分别为8.09 m2·g−1和0.02 cm3·g−1;BiOBr的比表面积和孔容分别为24.06 m2·g−1和0.14 cm3·g−1;BiOBr/RGO/DT-1.5复合材料的相同分析值分别为21.75 m2·g−1和0.11 cm3·g−1。BiOBr/RGO/DT-1.5的比表面积和孔容大于硅藻土,比纯BiOBr的略小,这说明BiOBr纳米片在硅藻土表面能够很好地分散,从而增强了复合催化剂的多孔结构。
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1)复合催化剂中硅藻土和BiOBr的最佳比例。可见光照射下含有不同比例硅藻土和BiOBr的复合光催化剂降解甲醛的效果对比如图6(a)所示,降解效率随着硅藻土比例的增加而先增大后减小,在比例为1.5时具有最佳的催化性能。这是因为,复合光催化剂BiOBr/RGO/DT降解甲醛时按照吸附富集-光催化降解这一过程进行,吸附剂硅藻土和光催化剂BiOBr在一个特定的比例,才能让催化降解性能处在一个最佳平衡点。硅藻土对甲醛的吸附能力较高,当硅藻土含量较少时,BiOBr会完全覆盖硅藻土表面,削弱硅藻土吸附甲醛的作用,而且BiOBr会在硅藻土表面团聚,分散性不好,所以,复合催化剂降解甲醛的效率不高。当硅藻土和BiOBr比例为1.5时,复合催化剂BiOBr/RGO/DT-1.5中硅藻土含量为60%,此时BiOBr在硅藻土表面分散性好,活性位点暴露充分,而硅藻土表面也有足够的外露部分,导致吸附富集和光催化氧化都能够充分发挥作用,因此复合催化剂降解甲醛的效率就高。当硅藻土含量太多时,光催化剂BiOBr的量则相对太少,光催化降解甲醛的能力会显得不足。从BET分析结果可以看出,BiOBr/RGO/DT-1.5的比表面积略小于BiOBr,比纯硅藻土大很多,这说明BiOBr在硅藻土表面分散性好,提高了复合催化剂的比表面积,这有利于催化性能提升。
图6(b)为不同RGO含量(相对于BiOBr)的复合催化剂降解甲醛性能比较,其中硅藻土和BiOBr的比例固定为1.5。可以看出,随着RGO含量增加,复合催化剂降解甲醛的效率也随着提高。当RGO含量超过1%以后,催化效果的提高变得缓慢。由于RGO制备复杂成本较高,综合考虑催化剂的成本因素,本研究选择RGO的添加量为1%。
2)不同材料降解甲醛的性能对比和常见光源对甲醛降解率的影响。从图7(a)可以看出,硅藻土和硅藻土/RGO不具备光催化降解性能,而单独的BiOBr光催化降解气态甲醛的活性也不高,3 h只有55.7%的降解率,BiOBr/RGO的性能比BiOBr好,这是主要是因为RGO增加了BiOBr的光生载流子的分离效率所致。硅藻土与BiOBr按1.5∶1制备的BiOBr/DT 复合材料的性能比BiOBr/RGO好,而BiOBr/RGO/DT-1.5具有最佳的催化性能,对气态甲醛的去除率在3 h可达89.6%,是单独使用BiOBr的1.6倍。这是由于,硅藻土虽然没有光催化降解能力,但是吸附甲醛的能力比较强,可以吸附富集低质量浓度甲醛气体;当BiOBr表面上的甲醛分子被光催化氧化分解后,硅藻土上富集的甲醛分子会迅速扩散到BiOBr的活性位点上从而被分解。而单独的BiOBr吸附甲醛的能力较弱,所以光催化降解甲醛的性能比BiOBr/RGO/DT-1.5低。由BET分析可知,与纯BiOBr相比,BiOBr/RGO/DT-1.5复合材料的比表面积和孔容略小。但是由图7(a)中的小插图可以得出,BiOBr/RGO/DT-1.5对甲醛的吸附能力比BiOBr/RGO强很多,这说明硅藻土的加入提高了复合催化剂对甲醛的吸附能力,这可能是由于硅藻土表面羟基比较多,对甲醛的吸附能力较强所致[27]。此外,BiOBr纳米片在硅藻土表面的相对较高的分散性也是提高降解效果的另一个重要因素。气态甲醛的催化降解已有较多研究,如Pt-Ce/TiO2催化剂在55 min内可完全降解20 mg·m−3的甲醛[28];g-C3N4-TiO2/废沸石在LED光照下300 min对甲醛去除率为90%[16];H-TiO2@MG-D催化剂在180 min内可去除92%的甲醛[29];Bi2WO6纳米片负载Pt纳米粒催化剂在1 h内的去除率为93%[30]。和已有催化剂相比较,本催化剂性能相近,且成本低易制备。
图7(b)是常见的几种灯光照射下复合光催化剂降解甲醛的情况,氙灯效果最好,LED灯的最差。这种差异主要是灯的发光光谱范围不同造成的,由图4紫外-可见漫反射光谱分析可以看出,复合催化剂在光照波长超过430 nm以上的范围光响应很弱。
3)相对湿度对甲醛降解率的影响。实验密闭体系中空气的相对湿度对甲醛降解的影响如图8所示,使用0.5 g BiOBr/RGO/DT-1.5复合光催化剂在不同相对湿度下光催化降解甲醛,结果表明,最佳相对湿度为45 %。这是因为,空穴是通过氧化催化剂表面吸附的水分子和羟基来产生·OH的,适当的湿度有利于在催化剂表面形成·OH;而且,适当的湿度有利于甲醛的吸附和在复合材料上的转移。然而,如果空气相对湿度太高,由于H2O和污染物分子存在竞争性吸附,就会降低复合光催化剂对甲醛的吸附量,因此,甲醛的光催化降解效率也会降低;同时,湿度增加硅藻土也会吸附大量水分,甲醛易溶于水,从而难以与光催化材料作用而降解,所以也会导致光催化降解效率降低。
4)复合光催化剂的稳定性。为进一步研究复合光催化剂BiOBr/RGO/DT-1.5的稳定性,对其进行了甲醛光降解的催化剂循环使用实验。如图9所示,经过4个循环的光催化反应后,复合光催化剂BiOBr/RGO/DT-1.5的催化性能衰减很小。这表明其稳定性较好,适合长期使用。
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通过活性物种捕获实验检测了光催化降解甲醛过程中的主要活性物种(图10),当甲醛溶液中存在异丙醇(IPA)或三乙醇胺(TEOA)时,降解效率降低了50%以上;而当存在苯醌(BQ)时,降解效率降低约19%。该结果表明,羟基自由基(·OH)和光生空穴(h+)是主要的活性物种,超氧自由基(·O2−)在BiOBr/RGO/DT-1.5光催化降解甲醛的过程中也起着重要作用。
为了进一步证明·O2−和·OH的存在,用5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物(DMPO)作为捕获剂做了电子顺磁共振(ESR)实验。如图11(a)所示,在黑暗状态下没有峰出现,但是在可见光下发现了6个DMPO-·O2− 特征峰,并且信号强度随着光照射时间的延长而增加。这表明BiOBr/RGO/DT-1.5在可见光下产生了·O2−。在·OH实验中观察到了4个峰,峰的强度比为1∶2∶2∶1(图11(b))。这是典型的DMPO-·OH化合物的特征峰谱图,说明体系中有·OH生成[31]。ESR的这些结果表明,光催化降解过程中存在·O2−和·OH。
结合能带结构、捕获剂实验和ESR测试结果分析,可以得出BiOBr/RGO/DT-1.5光催化降解甲醛的机理(如图12所示)。复合光催化剂中的硅藻土有很强的吸附性能,可以将低浓度的气态甲醛分子吸附富集在催化剂上面,使得BiOBr能够和甲醛分子充分接触。在可见光照射下,BiOBr价带上的电子被激发到导带上。由于RGO具有良好的导电性和很大的表面积,光生电子可以迅速从BiOBr上转移到RGO表面,从而降低了BiOBr的光生电子和空穴的复合率;同时,光生电子能够与RGO上吸附的O2反应生成·O2–。当吸附在BiOBr表面上的甲醛分子被氧化分解后,硅藻土表面上富集的甲醛分子会扩散到BiOBr的活性位点上从而被进一步分解[32]。总之,BiOBr/RGO/DT-1.5能够高效降解气态甲醛得益于2个方面:1)复合催化剂中的光生电子和空穴得到有效分离;2)硅藻土能够吸附富集到甲醛分子。
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1)制备了复合光催化剂BiOBr/RGO/DT。其具有良好的结晶度,不含其它杂质,BiOBr纳米片均匀附着在硅藻土表面,BiOBr和硅藻土的SiO2之间有很强的结合作用。
2)硅藻土与BiOBr按1.5∶1制备的复合光催化剂BiOBr/RGO/DT-1.5具有最佳的催化性能,对气态甲醛的去除率在3 h可达89.6%,是单独使用BiOBr去除率的1.6倍,催化剂使用的最佳空气相对湿度为45%。经过4个循环的光催化反应后,催化性能衰减很小,说明该催化剂稳定性较好。
3) BiOBr/RGO/DT-1.5对甲醛的光催化降解效率高,一方面是由于RGO导电性良好、表面积大,BiOBr导带上的光生电子可以快速迁移到RGO上面,从而实现光生载流子的快速分离;另一方面,硅藻土能够吸附富集低浓度气态甲醛,从而提高BiOBr对甲醛的接触氧化几率。
BiOBr/RGO/硅藻土复合催化剂的制备及其在可见光条件下催化降解甲醛气体
Fabrication of BiOBr/RGO/diatomite and its photocatalytic degradation performance of formaldehyde gas under visible light
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摘要: 使用溶剂热法成功地制备了由BiOBr、还原氧化石墨烯(RGO)和硅藻土组成的三元复合光催化剂,应用XRD、SEM、XPS 、UV–Vis、BET和ESR等方法对催化剂进行了表征,并研究了其在可见下光催化降解甲醛气体的性能和催化机理。结果表明,硅藻土和BiOBr的质量比为1.5时,所制得的复合光催化剂对甲醛气体的光催化降解效率最高,3 h可达89.6%,其应用的最适宜空气相对湿度为45%。经过4个循环的重复使用后,复合光催化剂的催化性能衰减很小。复合光催化剂降解甲醛气体的主要活性物种为羟基自由基和光生空穴,其高催化性能主要得益于硅藻土吸附富集了低浓度甲醛气体以及RGO增加了光生载流子的分离效率。本研究结果可为开发可见下光催化降解甲醛气体工艺开发提供参考。Abstract: A photocatalyst composed of BiOBr, reduced graphene oxide (RGO) and diatomite was successfully prepared by solvothermal method, the composite was characterized by XRD, SEM, XPS, UV-Vis, BET and ESR. The performance and catalytic mechanism of its catalytic degradation of formaldehyde gas under visible light were also studied. When the mass ratio of diatomite and BiOBr was 1.5, the prepared composite photocatalyst had the highest photocatalytic degradation efficiency for formaldehyde gas, which can reach 89.6% in 3 hours, and the most suitable air relative humidity for its application was 45%. After 4 cycles of repeated use, the photocatalytic performance of composite photocatalyst decayed very little. The main active species of the composite photocatalyst to degrade formaldehyde were hydroxyl radicals and photo-generated holes. The high photocatalytic performance of the composite photocatalyst was due to the adsorption and enrichment of low-concentration gaseous formaldehyde by diatomite, and the RGO increased the separation efficiency of photo-generated carriers of the photocatalyst. The results of this study can provide a reference for the photocatalytic degradation of formaldehyde gas under visible light.
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Key words:
- photocatalysis /
- degradation /
- formaldehyde gas /
- composite photocatalyst /
- BiOBr /
- diatomite.
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