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大氣中的 SO2和(hé)氮氧化物(NOx)主要來源於高溫燃燒過(guò)程,是二次有機氣溶膠(SOAs)形成的最重要的(de)前(qián)體物之一,同時還是造成酸雨、光化(huà)學煙霧和臭(chòu)氧層破(pò)壞等嚴重環境汙染的關鍵因素。因(yīn)此,控製和減少(shǎo)SOx和NOx排放(fàng)對於大氣汙染防控至(zhì)關重要。當前,濕式煙氣脫硫係統被認為是去除SO2的最有效方法之一,然(rán)而其麵(miàn)臨設備易腐蝕、二次(cì)汙染和高能耗的問題。選擇性催(cuī)化還原、非催化還原、三效催化、生物過(guò)濾和吸附等技術被開發(fā)應用於NOx消除,但也存在二汙染和高能耗等問題。因此,新型實(shí)用(yòng)淨化技術的開發意(yì)義重(chóng)大。
光催化是室溫淨化NOx和 SOx的有效技術,在過去的幾十(shí)年中受到了各國(guó)學者的廣泛關注。用於淨化 NOx和SOx的光(guāng)催(cuī)化(huà)劑主要分(fèn)為兩大類:TiO2基光(guāng)催化劑和非TiO2基光(guāng)催(cuī)化劑。具有多(duō)孔結構的光催化劑具有較大(dà)的(de)比表麵(miàn)積和豐富的孔道結構,有助於反應物的吸附(fù)和傳質、光生電荷的分離和遷移。因此多孔(kǒng)光催化劑,特別是在可見光區,對(duì)低濃度 NOx和 SOx的催化消除表現出優異的性能。比如,研究(jiū)者以TiCl4和二乙醇(chún)胺為前驅體,采用直接液相碳化方法可將 C 摻雜到介孔TiO2晶格替代O原子。發現 C 的摻雜能夠有效地將TiO2光的(de)吸收區域延伸到可見區,太陽光照射下,該催化劑比商用TiO2(P25)光催化劑對室內空氣水平(píng)下的NO 降(jiàng)解,表現(xiàn)出更高效(xiào)的去除效率。經過 40min 的太陽光照射後,在 500℃下(xià)煆燒的 C 摻雜到介(jiè)孔 TiO2光催化劑的 NO 淨化率達(dá) 25%,遠高於純 TiO2樣品上的8%。多孔結構以及 C元素的摻雜是其具有良好光催化淨化活性的主要原因。Yamashita 等開(kāi)展了高流速(sù)下(xià)TiO2對NO光催化分解性能(néng)的研究(jiū),包括預處理和反應條件對催化性能的影響。他們製備了一係列不同 TiO2含量的 Ti-MCM-41 多孔光催化劑,並評價了其對 NO 的(de)光催化降解性(xìng)能。

發(fā)現TiO2的含量和分散度是影響光催化降解 NO 性能的關鍵,多孔載體有利於TiO2的高度分(fèn)散。類似的工作也引起了研究者的廣泛興趣。采用固相法可以直接將TiO2和HZSM-5進行複合,得到高效的多孔(kǒng)TiO2/HZSM-5光(guāng)催化劑。采用溶膠 - 凝膠法合成多壁碳納米管負載的TiO2(MWCNTs@TiO2) 和(hé)多(duō)碳納米管負載的(de) Cu摻雜的 TTiO2(MWCNTs@Cu-TiO2)光催化劑,發現 MWCNTs@Cu-TiO2,具有優(yōu)異的紫外和可見光區域光學(xué)性質。在固定床反應器中評價了催化劑對模擬煙氣中 SO2和 NO的去除效(xiào)率。發現在最優(yōu)反應條件下(73 mg/m3NO、155 mg/m3 SO2、8% 02、5%H20),15%MWCNTs@Cu-TiO2,對 SO2和NO 的(de)光催化去除率分別達 62% 和43%。該催化劑良好的催化活性與其較高的(de)TiO2分散性、修飾(shì)的電子結構、較多的表麵氧空位以及 MWCNTs 良好的導電性相關(guān)。
在非TiO2基光催(cuī)化劑中,金屬鎢酸鹽是一類對(duì)氣體汙染物光催化降解的有效催化劑。采用(yòng)超聲噴(pēn)射熱解法,研究者成功製備了多孔 ZnWO4微球催化劑,發現該催化劑對 NOx降解(jiě)表現(xiàn)出優異的(de)光(guāng)催化淨化性能,證實(shí)較大(dà)的比較麵積和多級孔結構(gòu)有利於反應物的(de)吸附(fù)、傳(chuán)質以及光生(shēng)電荷的分離和遷移。采用微波輔助的水熱法,研究者合成了三維多級孔 Bi2WO6微球,該光催化劑具有較大的比表麵(miàn)積(37.2 m2/g)和多級孔結構(介孔(kǒng)和大孔),同樣對 NO 光催化淨化表現出優異(yì)的性能。大的比表麵積提供更多的活性位點並(bìng)有利於光的捕獲,多級孔結構利於反應物和產(chǎn)物的擴散以及電子- 空穴的分離。因此(cǐ),在可見光下對催化消除空氣中 NO(400uL/m3)表現出較高的(de)淨化效率,30 min 降(jiàng)解後去除率高(gāo)達 52%。除了金屬鎢酸鹽光催化劑,一些常見氧化物光催化劑(jì)同樣對 NO 降解表現出較高的催化活性。氧化鋅具有寬的帶隙(3.37 eV)、較高的光敏性與穩定性(xìng)、低成本和低毒性,被認為是最重(chóng)要的(de)金屬氧化物(wù)半導體光催化劑之一。與(yǔ)商用 ZnO 納米粒子相比,將 ZnO製備成多孔結構能夠有(yǒu)效促(cù)進(jìn)其對(duì)大氣汙染物的吸附,從而大(dà)大提高其光催化淨化汙染(rǎn)物(NOX、SO2,和CO)性能。以二氧化矽(guī)(KIT-6)為模板,采用納米澆築(zhù)法(fǎ)可以合成有序介孔釩酸(BiVO4)光催化劑。
與傳統的BiVO4相比,該催化劑在可見光(guāng)照射下對亞(yà)甲基藍(lán)和空氣中 NO 氣(qì)體的(de)降(jiàng)解均表現出優異的光催化(huà)氧化性能(néng)。研(yán)究認為介孔BiVO4的高催化(huà)淨化效率與其小(xiǎo)的晶體尺寸、大的表麵積和多孔結構相關。此外(wài),一些新型光催化劑同樣對NO 表現出(chū)優異的光催化淨化效(xiào)率。研究表明將(BiO)2CO3和MoS2進行複合能明顯提高催化劑對NO 的去除效(xiào)率。在可見光照射 30 min 後,(BiO)2CO3/MoS2-5% 催(cuī)化(huà)劑表現出最高的淨化效(xiào)率(57%),遠高於(BiO)2CO3上的(de) 24%。研究認為該催化劑三維層狀結構有利於分子的(de)擴散和對(duì)光的吸收,其(qí)良好的(de)光催化淨化性(xìng)能與其較強的光吸收能門、有效的電荷轉移以及(BiO)2CO3和MoS2之間的相互作用(yòng)相關。
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