Efficient photocatalytic degradation of NO by ceramic foam air filters coated with mesoporous TiO₂ thin films

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Abstract

Ceramic foam air filters with three-dimensional (3D) porous structures and high surface areas were coated with mesoporous TiO₂ thin films by the reverse micellar method. The mesoporous TiO₂ thin films efficiently photocatalytically degraded nitrogen oxide (NO). More than 92.5% of NO was degraded in a single pass for air filter samples containing different pore densities. The 3D porous structure of the ceramic air filters enhanced flow turbulence and mixing. This provided the catalytic system with excellent gas-dynamic properties, and sufficient contact between the reactant gas and catalyst surface. The higher pore density of the ceramic foam filters resulted in a higher photocatalytic rate. More adsorption sites for water vapor and the reactant and product gases improved the photocatalytic activity. The porous ceramic air filters coated with mesoporous TiO₂ had large surface areas, and thus high photocatalytic activity. This overcame the common disadvantages associated with using powdered TiO₂ photocatalysts on substrates. The 3D porous ceramic foam filters coated with mesoporous TiO₂ thin films exhibited a higher photocatalytic degradation rate of NO in air than the same thin film deposited on flat ceramic tiles. No deactivation was observed. A consistently high NO degradation rate was obtained between reaction cycles for the TiO₂-coated 3D porous ceramic filters.
由於人們80%的時間呆在室內,室內空氣的品質直接影響人類健康,因此近年來室內空氣品質越來越受到人們的關注。室內污染物包括CO氮氧化物(NOx)和揮發性有機化合物(VOCs),它們給人體健康帶來眾多負面影響。更為重要的是,考慮到節能,現代建築的空氣密閉性大都較高,但這種減少吸入新鮮空氣的設計直接導致室內各種污染物的累積。有些家用電器,如燃氣灶和熱水器,在使用的時候會涉及到煤、油和天然氣的燃燒,特別是通風較差的情況下會成為室內主要的污染源。常規的治理技術,包括吸附和過濾,其成本相對較高,也不適用於低濃度污染物的治理。尤其是更換不及時的篩檢程式在排風系統中可能會成為VOCs的一個來源。因此,很有必要開發一種新型的技術以降低室內污染物的濃度和保持一個清潔的室內空氣環境,從而保障人們的身體健康。
光催化是去除室內空氣污染物的有效方法。例如,TiO₂、鈦酸鉍和鈦酸鍶等具有強氧化能力和穩定的光催化活性,因而是高效的光催化劑。一般而言,通常報導的TiO₂光催化劑是高度分散的、或懸浮於液體介質中的細小顆粒或粉末。然而,粉末狀的TiO₂光催化劑不適宜於室內空氣淨化,因為它變得可吸入而對人體健康造成不利的影響。因此,人們嘗試將TiO₂顆粒作為薄膜固定在不同的剛性載體上,如玻璃、不銹鋼和鋁合金板。
對基體進行塗覆可顯著影響光催化時反應物的表面吸附行為。一般而言,光催化薄膜通常塗覆在平面上,如蜂窩空氣篩檢程式。三維(3D)多孔的陶瓷泡沫對氣體通過具有非常好的流體性質,因此本文以它作為塗覆的基體。這種陶瓷泡沫具有3D多孔結構,多種孔密度、比表面積和化學性質。3D多孔陶瓷泡沫空氣篩檢程式的床層空隙率較高,因此使用時壓降較低,且不像蜂窩空氣篩檢程式,它具有複雜多變的孔結構,可增強流體的擾動和混合。另外,3D多孔陶瓷泡沫空氣篩檢程式的開發多孔和網狀的結構使得在催化體系具有非常好的氣體動力學性質,催化劑表面和氣體反應物有充分的接觸。多孔材料在液相或氣相催化反應中具有獨特的優勢,因此,陶瓷泡沫、多孔的氧化鋁、多孔矽膠。分子篩和活性炭經常被用作催化劑載體。
在固體基體上TiO₂膜的形成可能使得TiO₂光催化劑的有效比表面積降低,從而導致其光催化活性下降。然而,由於具有中孔結構的TiO₂薄膜的比表面積大,其用於催化反應的活性位也更多,因此使用時仍然具有較高的活性。前期研究表明,塗覆在平面玻璃、不銹鋼和氧化鋁基體上的中孔TiO₂薄膜用於環境淨化時表現出增強的光催化效率。另外,室內環境中NO和NO₂的濃度一般分別為幾百個ppb之內和100 ppb以下。可見,NO是主要的室內空氣污染物,對人體健康危害較大。基於此,本文首次採用反膠束法將中孔銳鈦礦TiO₂薄膜均勻一地塗覆在3D多孔高比表面積的泡沫篩檢程式上,採用X射線衍射、掃描電鏡、X射線光電子能譜、N2吸附-脫附、紫外-可見光光譜和原子力顯微鏡對所制樣品進行了表徵,並將樣品用於紫外光下催化降解NO,以揭示所制的中孔TiO₂塗層具有高的比表面積和高的光催化活性,從而克服使用TiO₂粉末所帶來的不足。
結果表明,由於中孔TiO₂薄膜塗層具有較大的有效比表面積,其表面存在很多吸附活性位,用於吸附在反應過程中形成的水蒸汽、氣相反應物和產物,因而具有更高的光催化活性,因此在陶瓷泡沫空氣淨化系統中可以高效地光催化NO降解:在所考察的不同孔密度的陶瓷泡沫篩檢程式塗覆的TiO2上400 ppb的NO單程轉化率均在92.5%以上,高於塗覆在平面陶瓷磚上的TiO₂。該陶瓷篩檢程式的3D多孔特性可增強流體的擾動和混合,使得氣相反應物與光催化劑表面有著充分的接觸;其大的孔密度也導致高的光催化速率。另外,本文所制樣品在所有反應過程中均保持較高且穩定的NO降解速率,這表明其在NO降解反應中沒有失活。 Copyright © 2015 Dalian Institute of Chemical Physics, the Chinese Academy of Sciences.
Original languageEnglish
Pages (from-to)2109-2118
JournalChinese Journal of Catalysis
Volume36
Issue number12
DOIs
Publication statusPublished - Dec 2015

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Citation

Ho, W. (2015). Efficient photocatalytic degradation of NO by ceramic foam air filters coated with mesoporous TiO₂ thin films. Chinese Journal of Catalysis, 36(12), 2109-2118. doi: 10.1016/S1872-2067(15)61003-8

Keywords

  • Titania
  • Photocatalysis
  • Ceramic
  • Nitrogen oxide
  • Coating
  • 二氧化鈦
  • 光催化
  • 陶瓷
  • 一氧化氮
  • 塗覆
  • Alt. title: 陶瓷泡沫空氣過濾器涂覆中孔TiO₂薄膜用于室內空氣凈化中高效光催化降解NO