活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭負載增強光催化去除空氣中的甲苯

　　人們通常在白天大部分時間(約85-90%)呆在室內,從而接觸到來自揮發性有機化合物(VOC)等多種微量有害氣體的室內空氣污染。在不同的VOC中，苯、甲苯和二甲苯長期接觸后可能會對健康造成不良影響，并可能對人體健康造成相當大的危害。活性炭是最常用的空氣凈化材料之一，對揮發性有機化合物(VOC)具有出色的吸附能力。在這項工作中，Bi2O2CO3納米材料作為一種光催化成分，在活性炭表面生長以構建的活性炭復合材料。合成后的復合材料通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和N2表征吸附/解吸測量。

　　活性炭復合材料的光催化活性測試

　　系統研究了活性炭復合材料的光催化性能。為了模擬實際應用，在恒溫試驗箱中將不銹鋼罐替換為60L聚氟乙烯袋，并保持恒溫(例如20℃)。然后，將3g活性炭微粒放在盤子上并放入袋中。入射光可以穿過PVF薄膜到達活性炭表面。其結構如圖1所示。為了測試光催化活性，反應器首先用泵抽真空。然后，注入60L甲苯氣體(空氣中50.0ppm)作為目標室內污染物。這需要大約12分鐘。之后，將反應器在黑暗中保持0.5小時以達到吸附/脫附平衡。使用300W氙氣燈作為模擬日光源。使用氣相色譜儀定期分析反應器中的氣體產物。此外，口袋中的甲苯氣體還不能完全流到氣相色譜儀的自動氣體進樣閥，因為該閥的管徑比較小，輸氣泵剛剛啟動。因此，甲苯濃度低。

　　圖1：氣相光催化測試系統示意圖。

　　復合材料的微觀結構分析

　　改性活性炭和活性炭樣品的微觀結構通過SEM表征。如圖2所示，改性活性炭樣品在活性炭表面生長有花狀Bi2O2CO3，大小約為。5μm(圖2a、b)。這些結果表明Bi2O2CO3通過原位結晶過程在活性炭表面成功生長。活性炭具有圓柱狀形態，長度為數百納米(圖2c、d)。圖2e、f顯示了原始活性炭樣品的形態，它具有多孔結構、高比表面積和良好的吸附能力。

　　圖2：(a-d)不同含量負載的活性炭復合材料和活性炭(e-f)的SEM圖像。

　　活性炭催化劑對甲苯的光催化性能

　　在光照下研究了活性炭復合材料在空氣中降解氣態甲苯(50.0ppm)的光催化性能。如圖3a所示，所有樣品均表現出超過90%的良好去除效率。在活性炭復合材料中，100g添加量的活性炭顯示出最佳效率，3小時內去除率高達92.2%。如果用以前的方法從空氣中去除甲苯，例如生物過濾、后等離子體催化技術和電極放電。與那些通常昂貴且復雜的方法相比，目前的活性炭復合物具有綠色和低成本的優點。使用氣相色譜儀檢測甲苯降解產物。結果表明，CO2是活性炭復合材料的主要產物(圖3b)，3小時內最高產率為82.5mg/m3，另一個主要產物應該是H2O，甲苯是碳氫化合物的基礎上。我們在介紹中提到的，活性炭主要充當吸附劑還可以作為光催化劑來降解有機污染物。然而，它僅在紫外光照射下有活性，催化效率低。這些結果清楚地表明，在活性炭表面原位生長Bi2O2CO3后，甲苯的降解率提高了。這歸因于活性炭的吸附能力和Bi2O2CO3和活性炭的光催化活性的協同效應，證明了復合材料的優勢。

　　圖3：活性炭樣品去除空氣中甲苯的光催化性能(a)樣品的CO2產率(b)活性炭復合材料和活性炭去除甲苯的性能(c)CO2產率(d)三個循環的穩定性(e)不同用量活性炭復合材料的甲苯去除效率(f)。

　　通過在光照下進行三個實驗周期來評估活性炭復合材料用于光催化去除甲苯的穩定性。如圖3e所示，活性炭保持了高度穩定的光催化效率，三個循環后甲苯去除率高達90%，這表明活性炭對光催化甲苯降解具有優異的可回收性。此外，我們研究了使用不同量的活性炭復合材料(1g、1.5g、2g和3g)的甲苯去除效率。如圖3f所示，光催化活性隨著催化劑用量的增加而增強，當使用3g活性炭復合材料時達到最高效率。

　　活性炭光催化降解氣態甲苯的機理

　　活性炭復合材料在光照射下降解氣態甲苯的光催化反應機制可以解釋如下(圖4)。首先，蜂窩狀活性炭基質吸附并捕獲甲苯分子。然后，在光照下，電子從價帶(VB)激發到負載Bi2O2CO3的活性炭表面的導帶(CB)，在VB中留下空穴。活性炭可以充當電子受體以降低電子-空穴對的復合率。因此，Bi2O2CO3中CB上的激發電子可以很容易地轉移到活性炭表面，從而促進光生電荷載流子的分離和遷移。

　　圖4：使用活性炭復合材料去除甲苯的光催化機理。

　　活性炭負載增強光催化去除空氣中的甲苯，通過簡便的化學方法在活性炭表面原位生長花形Bi2O2CO3納米片，制備了一種新型活性炭納米復合光催化劑。合成后的活性炭納米復合材料表現出出色的甲苯去除效率，在3小時內降解超過90%，這與其他的催化劑相當，甚至更高。此外，CO2和H2O被確認為主要產品。我們還發現催化活性高度依賴于催化劑的負載量，負載量為100g時性能最高。此外，甲苯可在7小時后完全去除。重要的是，光催化效率在三個循環后保持不變，證明活性炭在光催化甲苯去除方面具有良好的可回收性。活性炭復合催化劑優異的光催化降解活性可歸因于活性炭的吸附能力以及納米片和活性炭的光催化活性的協同效應。這項工作可能為室內空氣凈化提供有用的指導，特別是針對揮發性有機化合物等微量有害氣體。

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