活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭负载增强光催化去除空气中的甲苯

　　人们通常在白天大部分时间(约85-90%)呆在室内,从而接触到来自挥发性有机化合物(VOC)等多种微量有害气体的室内空气污染。在不同的VOC中，苯、甲苯和二甲苯长期接触后可能会对健康造成不良影响，并可能对人体健康造成相当大的危害。活性炭是最常用的空气净化材料之一，对挥发性有机化合物(VOC)具有出色的吸附能力。在这项工作中，Bi2O2CO3纳米材料作为一种光催化成分，在活性炭表面生长以构建的活性炭复合材料。合成后的复合材料通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和N2表征吸附/解吸测量。

　　活性炭复合材料的光催化活性测试

　　系统研究了活性炭复合材料的光催化性能。为了模拟实际应用，在恒温试验箱中将不锈钢罐替换为60L聚氟乙烯袋，并保持恒温(例如20℃)。然后，将3g活性炭微粒放在盘子上并放入袋中。入射光可以穿过PVF薄膜到达活性炭表面。其结构如图1所示。为了测试光催化活性，反应器首先用泵抽真空。然后，注入60L甲苯气体(空气中50.0ppm)作为目标室内污染物。这需要大约12分钟。之后，将反应器在黑暗中保持0.5小时以达到吸附/脱附平衡。使用300W氙气灯作为模拟日光源。使用气相色谱仪定期分析反应器中的气体产物。此外，口袋中的甲苯气体还不能完全流到气相色谱仪的自动气体进样阀，因为该阀的管径比较小，输气泵刚刚启动。因此，甲苯浓度低。

　　图1：气相光催化测试系统示意图。

　　复合材料的微观结构分析

　　改性活性炭和活性炭样品的微观结构通过SEM表征。如图2所示，改性活性炭样品在活性炭表面生长有花状Bi2O2CO3，大小约为。5μm(图2a、b)。这些结果表明Bi2O2CO3通过原位结晶过程在活性炭表面成功生长。活性炭具有圆柱状形态，长度为数百纳米(图2c、d)。图2e、f显示了原始活性炭样品的形态，它具有多孔结构、高比表面积和良好的吸附能力。

　　图2：(a-d)不同含量负载的活性炭复合材料和活性炭(e-f)的SEM图像。

　　活性炭催化剂对甲苯的光催化性能

　　在光照下研究了活性炭复合材料在空气中降解气态甲苯(50.0ppm)的光催化性能。如图3a所示，所有样品均表现出超过90%的良好去除效率。在活性炭复合材料中，100g添加量的活性炭显示出最佳效率，3小时内去除率高达92.2%。如果用以前的方法从空气中去除甲苯，例如生物过滤、后等离子体催化技术和电极放电。与那些通常昂贵且复杂的方法相比，目前的活性炭复合物具有绿色和低成本的优点。使用气相色谱仪检测甲苯降解产物。结果表明，CO2是活性炭复合材料的主要产物(图3b)，3小时内最高产率为82.5mg/m3，另一个主要产物应该是H2O，甲苯是碳氢化合物的基础上。我们在介绍中提到的，活性炭主要充当吸附剂还可以作为光催化剂来降解有机污染物。然而，它仅在紫外光照射下有活性，催化效率低。这些结果清楚地表明，在活性炭表面原位生长Bi2O2CO3后，甲苯的降解率提高了。这归因于活性炭的吸附能力和Bi2O2CO3和活性炭的光催化活性的协同效应，证明了复合材料的优势。

　　图3：活性炭样品去除空气中甲苯的光催化性能(a)样品的CO2产率(b)活性炭复合材料和活性炭去除甲苯的性能(c)CO2产率(d)三个循环的稳定性(e)不同用量活性炭复合材料的甲苯去除效率(f)。

　　通过在光照下进行三个实验周期来评估活性炭复合材料用于光催化去除甲苯的稳定性。如图3e所示，活性炭保持了高度稳定的光催化效率，三个循环后甲苯去除率高达90%，这表明活性炭对光催化甲苯降解具有优异的可回收性。此外，我们研究了使用不同量的活性炭复合材料(1g、1.5g、2g和3g)的甲苯去除效率。如图3f所示，光催化活性随着催化剂用量的增加而增强，当使用3g活性炭复合材料时达到最高效率。

　　活性炭光催化降解气态甲苯的机理

　　活性炭复合材料在光照射下降解气态甲苯的光催化反应机制可以解释如下(图4)。首先，蜂窝状活性炭基质吸附并捕获甲苯分子。然后，在光照下，电子从价带(VB)激发到负载Bi2O2CO3的活性炭表面的导带(CB)，在VB中留下空穴。活性炭可以充当电子受体以降低电子-空穴对的复合率。因此，Bi2O2CO3中CB上的激发电子可以很容易地转移到活性炭表面，从而促进光生电荷载流子的分离和迁移。

　　图4：使用活性炭复合材料去除甲苯的光催化机理。

　　活性炭负载增强光催化去除空气中的甲苯，通过简便的化学方法在活性炭表面原位生长花形Bi2O2CO3纳米片，制备了一种新型活性炭纳米复合光催化剂。合成后的活性炭纳米复合材料表现出出色的甲苯去除效率，在3小时内降解超过90%，这与其他的催化剂相当，甚至更高。此外，CO2和H2O被确认为主要产品。我们还发现催化活性高度依赖于催化剂的负载量，负载量为100g时性能最高。此外，甲苯可在7小时后完全去除。重要的是，光催化效率在三个循环后保持不变，证明活性炭在光催化甲苯去除方面具有良好的可回收性。活性炭复合催化剂优异的光催化降解活性可归因于活性炭的吸附能力以及纳米片和活性炭的光催化活性的协同效应。这项工作可能为室内空气净化提供有用的指导，特别是针对挥发性有机化合物等微量有害气体。

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