一种具有染料敏化TiO2可见光催化降解气体甲醛的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种具有染料敏化TiO

Apparatus and method for photocatalytic degradation of gaseous formaldehyde by dye sensitized TiO2

The present invention relates to a dye sensitized TiO

【技术实现步骤摘要】
一种具有染料敏化TiO2可见光催化降解气体甲醛的装置及方法
本专利技术属于光催化领域，涉及染料敏化TiO2光催化材料的制备方法及其在可见光催化降解甲醛气体中的应用，具体来说是使用自主设计的反应装置，研究TCPP染料敏化TiO2薄膜光催化降解气体甲醛效率的影响因素，以确定高效可行的染料敏化TiO2降解气体甲醛的最优体系和相关规律。
技术介绍
由于太阳能的能量占地球上总能量99％以上，其取之不尽、用之不竭、对环境友好的特征使得人们一直在不断的探究如何充分的利用太阳能。但是人们对太阳能的利用更多在紫外光波段，而紫外光能量仅占太阳能光照射到地球表面能量的5％，相比之下可见光已接近50％。如何将可见光转化成为可应用的、清洁的、丰富的、高效的新能源，将是该领域科技工作者最重要的科研方向。半导体TiO2凭借其高光催化活性和稳定性、价低、无毒、不易产生二次污染等优点而得到学者们的广泛关注，然而TiO2本身只能在紫外光照射下表现出光催化活性，这无疑限制了TiO2的广泛应用。染料敏化半导体技术是近年来人们研究的又一热点，它主要利用染料来拓宽对可见光的响应范围，以弥补宽带隙半导体自身的短板，有效抑制半导体光生电荷的复合。这种方法经济高效，操作简单，捕获可见光能力较强，染料的稳定性高，对环境不会产生污染，所以染料敏化技术在太阳能电池、光催化分解水产氢、光催化降解污染物等领域被广泛应用。在众多气体有机污染物中，甲醛是一种极易挥发，化学性质活泼的气体有害物质，它存在于我们生活中且对人体危害很大。探究一种高效、节能、环保并且能够广泛推广的方法来降解气体甲醛势在必行。随着催化氧化技术的发展，人们开始利用该技术进行甲醛的降解。光催化氧化法主要是利用光催化剂接受光照后，在其表面产生羟基自由基和超氧自由基等活性氧物质，而这些强氧化性物质可以直接氧化甲醛，最终氧化成无毒无害的二氧化碳和水。该法已成为治理空气污染物的研究热点。其中，染料敏化半导体光催化技术引起了人们的广泛关注。本专利技术中，我们研究了染料敏化TiO2半导体光催化剂在可见光下的光催化性能，探讨了催化剂用量、甲醛初始浓度，PH值等外部因素对TiO2催化剂光催化降解过程的影响，重点研究了加入各种染料对TiO2可见光催化降解甲醛效率的影响，筛选出了敏化效果最好的天然植物卟啉类物质TCPP染料，获得了其最佳用量，探讨了吸附染料的TiO2高效氧化去除甲醛的机理和途径。在自主设计的反应装置中，进行可见光光催化降解不同浓度气体甲醛实验，经过12h持续的可见光照射，TCPP敏化TiO2可见光催化体系的甲醛最高降解率达到85％，且降解速率保持在5％h-1以上，随着光照时间的增加，降解甲醛效率增加，表明该催化降解甲醛体系具有很高的稳定性和降解甲醛效率。该自主设计的降解甲醛的实验装置可以应用于光催化降解不同浓度的甲醛气体，即使是低浓度的甲醛气体。为了证明在所查范围内国内有无相同或类似的文献报道，通过查新机构在国内15家数据库中，以光催化降解/光消减、染料敏化/涂料敏化/颜料敏化、有机物/有机分子/有机污染物/甲醛为检索词，截止到2016年3月份共检索到国内公开发表的中文文献152篇，其中相关文献80篇，密切相关文献7篇，但没有与本专利技术相同的染料用于敏化半导体光催剂降解甲醛气体的研究。
技术实现思路
本专利技术提出了一种用于降解甲醛气体的染料敏化TiO2光催化材料的制备方法，该方法是采用四-(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)染料敏化剂敏化不同面积的TiO2薄膜，利用可见光照射，在自主设计的反应装置中进行可见光催化降解不同浓度的气体甲醛。它是一种操作简单、绿色经济、稳定高效的半导体可见光响应的改性方法，具有其他改性方法不具备的优点。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:一种具有染料敏化TiO2可见光催化降解气体甲醛的装置，所述装置主要由不锈钢立方反应容器3、恒温水浴槽1、气体采样仪6、隔膜真空泵7和气体吸收瓶12组成，所述不锈钢立方反应容器3与恒温水浴槽1、隔膜真空泵7、气体吸收瓶12和气体采样仪6控制连通；所述不锈钢立方反应容器3内装有一铁架台9，所述冷阱4固定在铁架台9上，所述氙灯光源5装在冷阱4内，所述温度湿度仪10装在冷阱4上，所述氙灯光源5和温度湿度仪10与不锈钢立方反应容器3外部的氙灯稳压电源11连接，不锈钢立方反应容器3内还装有风扇2和催化剂薄膜13，所述恒温水浴槽1与不锈钢立方反应容器3内的冷阱4连通以控制冷阱4温度，所述氙灯稳压电源11和风扇2与总电源8连接，仪器所用的总电源8通过箱体的其他通孔与外界电源相连，所述温度湿度仪10的作用是为了时刻观察温度的变化，使温度稳定在25℃附近，考虑到气体的流动性、体系温度和湿度等因素，所述反应容器3内部放有风扇2、氙灯光源5、温度湿度仪10的探头，为了准确控制体系温度以及延长光源的使用寿命。在实验过程：在避光实验条件下，将一定工作面积的染料敏化TiO2薄膜平放在距氙灯光源530cm距离位置下的催化剂薄膜13处，迅速的加入甲醛标液，密封并打开风扇2，利用制备气体甲醛方法获得甲醛气体，待甲醛汽化完全后，装置内设有用于连接甲醛气体采样仪6的接口，用气体采样仪6抽取一定甲醛气体置于装有一定量蒸馏水的气体吸收瓶12中，测定初始甲醛浓度，然后打开氙灯光源5光照染料敏化TiO2薄膜，进行光催化降解甲醛，每隔一定时间间隔抽样检测甲醛浓度，同时使用温度湿度仪10记录相应温度和湿度，所述反应容器充分保证了甲醛降解率实验数据的稳定性、可靠性及重现性。一种具有染料敏化TiO2可见光降解气体甲醛的方法，以降解甲醛气体的装置作为实验设备反应装置，以染料敏化TiO2薄膜为基底材料，然后将甲醛标液和染料敏化TiO2薄膜放入反应装置中，并检测汽化平衡后的初始甲醛气体浓度，之后打开光源进行光催化降解气体甲醛实验，间隔3h光照时间，抽样检测降解后的甲醛浓度，计算甲醛气体的降解率，即得染料敏化TiO2可见光降解气体甲醛的降解率。所述的一种具有染料敏化TiO2可见光催化降解气体甲醛的方法，包括以下步骤：(1)TCPP为染料敏化剂：选择水溶性曙红Y(EY)、罗丹明B(RB)和四-(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)分别对TiO2薄膜进行染料敏化，结果表明TCPP为染料敏化剂的体系中甲醛降解率最高，能达到85.31％；而曙红Y(EY)和罗丹明B(RB)为敏化剂的体系中降解率分别为76.37％和77.06％，且TCPP分子与TiO2键合程度好于其他两种敏化剂，因此选择TCPP作为染料敏化剂；(2)光催化剂Pt/TiO2/TCPP中的染料载体Pt/TiO2由传统的光沉积法制备，对于光催化剂Pt/TiO2/TCPP的制备方法如下：(a)将制备的Pt-TiO2颗粒0.1g置于1×10-4mol/L的TCPP乙醇水溶液中，密封后超声处理5～15min，保证颗粒均匀分散；(b)经上述处理后的反应体系置于黑暗环境下，并持续振荡24h，保证染料颗粒的完全吸附；(c)吸附完全的Pt/TiO2/TCPP颗粒用蒸馏水离心清洗，去除未吸附的染料颗粒；(d)清洗完全的Pt-TiO2-TCPP颗粒沉淀抽真空干燥24h，保证水分完全去除；(e)利用玛瑙研钵研磨干燥的片状Pt/TiO2/TCPP，最终得到所需光催化剂；(3)反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有染料敏化TiO

【技术特征摘要】
1.一种具有染料敏化TiO2可见光催化降解气体甲醛的装置，所述装置主要由不锈钢立方反应容器(3)、恒温水浴槽(1)、气体采样仪(6)、隔膜真空泵(7)和气体吸收瓶(12)组成，其特征在于：所述不锈钢立方反应容器(3)与恒温水浴槽(1)、隔膜真空泵(7)、气体吸收瓶(12)和气体采样仪(6)控制连通；所述不锈钢立方反应容器(3)内装有一铁架台(9)，所述冷阱(4)固定在铁架台(9)上，所述氙灯光源(5)装在冷阱(4)内，所述温度湿度仪(10)装在冷阱(4)上，所述氙灯光源(5)和温度湿度仪(10)与不锈钢立方反应容器(3)外部的氙灯稳压电源(11)连接，不锈钢立方反应容器(3)内还装有风扇(2)和催化剂薄膜(13)，所述恒温水浴槽(1)与不锈钢立方反应容器(3)内的冷阱(4)连通以控制冷阱(4)温度，所述氙灯稳压电源(11)和风扇(2)与总电源(8)连接，仪器所用的总电源(8)通过箱体的其他通孔与外界电源相连，所述温度湿度仪(10)的作用是为了时刻观察温度的变化，使温度稳定在25℃附近，考虑到气体的流动性、体系温度和湿度等因素，所述反应容器(3)内部放有风扇(2)、氙灯光源(5)、温度湿度仪(10)的探头，为了准确控制体系温度以及延长光源的使用寿命。2.一种具有染料敏化TiO2可见光催化降解气体甲醛的装置，其特征在于：在实验过程：在避光实验条件下，将一定工作面积的染料敏化TiO2薄膜平放在距氙灯光源(5)30cm距离位置下的催化剂薄膜(13)处，迅速的加入甲醛标液，密封并打开风扇(2)，利用制备气体甲醛方法获得甲醛气体，待甲醛汽化完全后，装置内设有用于连接甲醛气体采样仪(6)的接口，用气体采样仪(6)抽取一定甲醛气体置于装有一定量蒸馏水的气体吸收瓶(12)中，测定初始甲醛浓度，然后打开氙灯光源(5)光照染料敏化TiO2薄膜，进行光催化降解甲醛，每隔一定时间间隔抽样检测甲醛浓度，同时使用温度湿度仪(10)记录相应温度和湿度，所述反应容器充分保证了甲醛降解率实验数据的稳定性、可靠性及重现性。3.一种具有染料敏化TiO2可见光降解气体甲醛的方法，其特征在于，以降解甲醛气体的装置作为实验设备反应装置，以染料敏化TiO2薄膜为基底材料，然后将甲醛标液和染料敏化TiO2薄膜放入反应装置中，并检测汽化平衡后的初始甲醛气体浓度，之后打开光源进行光催化降解气体甲醛实验，间隔3h光照时间，抽样检测降解后的甲醛浓度，计算甲醛气体的降解率，即得染料敏化TiO2可见光降解气体甲醛的降解率。4.根据权利要求3所述的一种具有染料敏化TiO2可见光催化降解气体甲醛的方法，包括以下步骤：(1)TCPP为染料敏化剂：选择水溶性曙红Y(EY)、罗丹明B(RB)和四-(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)分别对TiO2薄膜进行染料敏化，结果表明TCPP为染料敏化剂的体系中甲醛降解率最高，能达到85.31％；而曙红Y(EY)和罗丹明B(RB)为敏化剂的体系中降解率分别为76.37％和77.06％，且TCPP分子与TiO2键合程度好于其他两种敏化剂，因此选择TCPP作为染料敏化剂；(2)光催化剂Pt/...

【专利技术属性】
技术研发人员：文子，张玲利，成荣敏，詹从红，蒋青，韩冬梅，李娜，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22