铁电体材料增强等离子体协同催化去除挥发性有机物的基础研究

Based on the characteristics of ferroelectric materials with spontaneous polarization to enhance the electric field intensity, ferroelectric materials were put into the plasma-catalytic system in order to study the performance of increasing UV light intensity, exerting TiO2 photocatalysis, increasing removal efficiency and decreasing energy consumption. Research contents including: ① To prepare and load ferroelectrics and photocatalytic hybrid materials, examine its characteristics in the plasma field and determine the optimal ratio; ② To study the removal of benzene with spontaneous polarization plasma enhanced photocatalytic, explore different factors affected the removal of benzene and determine the optimum conditions of degradation of pollutants; ③ To consider the UV light intensity and spectral distribution; ④ To study the reaction mechanisms. The innovation of the study is that the ferroelectric material being placed in the plasma-photocatalytic system for the degradation of pollutants. UV light intensity can be enhanced effectively, which leads to increase the pollutants removal efficiency. Chemical kinetic mechanism is established for industrial application.

利用铁电体材料在电场条件下可发生自发极化从而增强电场的特性，课题将其置于等离子体-催化体系中，研究该材料对增强体系紫外光强度、促进TiO2光催化作用发挥、提高污染物去除率、降低能耗方面的性能。研究内容包括：①铁电体及光催化混合材料制备与负载，考察其在等离子体场中的特性，确定最佳性能材料；②等离子体增强光催化降解苯系物，探讨不同因素对苯系物去除率的影响，确定污染物降解的最佳工艺条件；③研究反应体系中紫外光强及光谱分布规律，实现对其的有效利用；④反应动力学机理研究，通过对反应产物的测定，建立反应模型，进行动力学模拟，确定反应动力学机理。课题创新之处在于将铁电体材料置于等离子体-催化体系中，利用等离子体协同催化技术开展污染物降解研究，并建立化学反应动力学机理，为该技术的工业化应用提供理论和技术基础。

挥发性有机物（VOCs）作为城市雾霾和光化学烟雾的前体物，针对其控制和去除技术研究已成为热点。课题采用低温等离子体-催化协同技术开展VOCs的去除研究工作，具有较好的理论和实际应用价值。课题主要研究目标包括以下三方面：1）确定不同工艺条件（催化剂材料、放电参数、能耗）与甲苯降解效果的内在联系，确定最佳催化剂材料组成及甲苯降解的最佳工艺技术条件；2）探索铁电体材料增强光催化作用反应机制，探寻反应体系中紫外光形成及强化过程；3）研究等离子体协同催化技术去除挥发性有机物的降解机制，为该领域发展提供系统的理论基础。课题工作紧扣研究目标展开，得到较好的研究结果。研究开发出催化性能较好的催化材料—BaTiO3/TiO2催化剂，且当BaTiO3与TiO2质量比为2.38:1时可达较高的甲苯去除效率。负载型催化剂—锰银系和钒钛系催化材料有助于提高甲苯去除率和去除量，CeO2助催化剂的加入可有效提高对甲苯的去除率。确定了较优工艺参数，对甲苯降解率影响的主次顺序为：B（催化剂填充长度）、E（气体流速）、D（电压）、C（频率）、A（放电区长度）。对反应产物进行了分析，结果显示，在低电场强度下，可生成微量的烯烃类、醇类、酰胺类、酸类和酯类有机物。在高电场强度下，产物中烯烃类和醇类基本消失，有微量的酰胺类。氧自由基和羟基自由基是甲苯降解过程中的主要氧化剂，也是出现多种衍生物的诱导物质。反应产物中除了CO2和H2O外，均为低温等离子体协同光催化技术降解甲苯的中间产物，如醇、酯、酸、酰胺和苯的衍生物等有机物。对紫外光的研究发现，介质阻挡放电产生低温等离子体场中，紫外光较强，随着平均场强、频率的增大，光强不断增大，催化剂的活性组分对光强的增强起到一定促进作用。课题创新之处在于将铁电体材料置于等离子体-催化体系中用于污染物的降解，有效增强反应中紫外光强度，有效提高污染物去除能力，建立化学反应动力学机理，为该技术的工业化提供理论基础。