三维多孔石墨烯负载纳米二氧化钛的制备及其降解室内挥发性有机物

In this project, we will firstly build a three-dimensional porous graphene support with tunable pore size, pore type and porosity, and then deposit a well-distributed layer of nano-titanium dioxide photocatalyst onto the support. The material with this kind of structure will be used for high efficient, large scale adsorption and then effective degradation of volatile organic compounds in indoor air. Integration excellent adsorption capacity, strong electron accepting ability of three dimensional porous graphene with high stability, strong degradation ability of nano-titanium dioxide, we can not only achieve synergistic effect of adsorption and photocatalysis, but also fulfill transference of photoinduced electrons to graphene and storage, thus reducing the recombination of electrons and holes. The research mainly focused on the relationship of the microstructure of support, the morphology of loaded photocatalyst and interface characteristic with photocatalysis performances, in order to find performance optimization and multifunctional integration for the samples. The influence of experimental parameters in degradation process on the photocatalytic activity and conversion of the pollutants was investigated to obtain optimally experimental parameters. Elucidation of the mechanism of electronic transmission between the support and the photocatalyst will provide theoretical foundation and experimental basis for exploring the practical application of immobilization of photocatalyst onto support.

本项目的目的是构建孔型、孔径和孔隙率可控的三维多孔石墨烯载体，并均匀负载具有特定形貌的纳米二氧化钛光催化剂，从而实现其对室内挥发性有机物的高效率、大容量吸附及有效的光催化降解。利用三维多孔石墨烯载体吸附性能好、电子接受能力强的特点，结合纳米二氧化钛光催化剂稳定性高、降解能力强的优势，不仅实现吸附-光催化协同作用，也同时实现光催化剂所产生的光致电子向载体的传输并存储，从而降低电子空穴对的复合。重点研究载体负载光催化剂材料的微观结构、界面特性、负载状况与其光催化性能的关系，寻求对该结构体系的性能优化和多功能集成。确定光催化降解的实验参数对光催化活性和污染物的转化率的影响因素，并获得最优的实验参数。阐明三维多孔石墨烯载体和纳米二氧化钛光催化剂之间的电子传输的作用机理，以及实验过程的热力学和动力学规律，为载体负载光催化剂体系的实际应用提供理论依据并奠定实验基础。

经济的快速发展带来了一系列环境问题，而生活水平的提高使人们环保意识逐渐增强，因此有必要探索一条绿色、低成本的环境治理技术。在室温和太阳光照射下，光催化降解是利用光催化剂将污染物降解为水和二氧化碳等无机物的过程。这一新技术因其在环境保护方面所具有的深远意义而成为全世界环境修复领域的热点。.本项目所研究的核心内容是将形状和尺寸可控的二氧化钛纳米结构负载于三维多孔石墨烯上，形成复合物光催化剂，并考察其降解污染物的光催化性能。一方面，制备形状、尺寸和形貌可控的二氧化钛纳米结构，构建孔型、孔径和孔隙率可调的三维多孔石墨烯，然后将纳米二氧化钛负载于三维多孔石墨烯之上而形成复合物。将二氧化钛稳定性高、降解能力强与石墨烯吸附性能好、光致电子接受能力强相结合，提高了复合物的光催化降解性能。另一方面，根据光催化降解性能的实验结果，污染物降解机理的分析和光催化剂中协同效应的研究，为进一步设计高催化活性的复合物光催化剂提供可靠的理论依据。.在本项目实施的这三年时间内，围绕着二氧化钛纳米结构、三维多孔石墨烯和两者间的复合物这些环境修复用材料，进行了大量系统的研究，开发出一系列复合物光催化剂。采用水热法，成功地将形状和尺寸可控的二氧化钛纳米结构嫁接到三维多孔石墨烯载体上，从而得到具有层次结构的复合物光催化剂。由于载体和负载物间的协同效应，复合物继承了二氧化钛稳定性高、降解能力强和石墨烯吸附性能好、光致电子接受能力强的优点，从而使得复合物表现出良好的光催化降解性能。在光照35分钟后，光催化剂可以对污染物的降解效率实现95%的去除。载体负载光催化剂体系的良好光催化性能和潜在的应用为高效光催化剂的研究提供新的思路。