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光催化剂表面气泡的粘附特性及其相界面作用机制

该工作通过研究典型VOCs在功能性活性光催化剂界面上的氧化产物变化

特征及氧化机理分析，基于半定量分析方法探究了氧化产物累积与活性界面的关

联性，并结合积碳对催化剂的性能影响规律，对催化剂性能降低及其失活机制进

行了预测，同时对光催化氧化过程中催化剂所面临的失活问题提出了较为合理的

方案。

背景介绍

VOCs广泛存在化工生产车间、办公楼、日常生活居室以及其它狭小的生产

生活环境等，人体长时间暴露于低浓度VOCs环境中极易产生一系列慢性疾病，

因此研究开发绿色持久稳定的VOCs控制技术是非常有必要的。光催化氧化技

术因其设备简单、反应条件温和、效率高以及无二次污染等优势在低浓度VOCs

的削减和氧化降解得到广泛的关注。

前期的研究结果表明集吸附和催化协同降解的功能性多孔催化剂界面环境

可有效提高分子氧的活化及羟基自由基的生成效率，从而提高VOCs的光催化

氧化效率。

然而在VOCs氧化的过程中可能会因为自由基的量不足导致VOCs的不完

全氧化反应，继而造成催化剂活性降低甚至失活。因此，为了进一步验证导致催

化剂活性降低甚至失活的原因，我们开展了VOCs的氧化产物与其在催化剂上

的累积状态及其活性界面的变化特征方面的关联性研究，揭示了影响催化剂失

活的关键因素。

结果表明VOCs的氧化产物在催化剂表面的累积是导致催化剂活性降低甚

至失活的关键因素之一；继而在活性界面形成的积碳不仅会导致功能表面氧化自

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由基生成效率下降，同时其非稳定态及与活性界面紧密结合形态还会导致其与底

物的竞争性氧化反应，从而进一步加剧催化剂的失活过程。

本文亮点

(1)验证了界面变化特征对催化剂特性的影响规律；

(2)证实了积碳对功能性活性表面载流子分离及氧化自由基形成的影响。

(3)开展了催化剂上氧化产物的累积特征，证实了氧化产物累积和积碳效应

共同导致了催化剂失活。

图文解析

本研究首先通过连续相吸附与光催化降解的在线检测系统分析了典型

VOCs苯乙烯在不同合成温度下不同结构Au/TiO2@CNTs催化剂上的吸附、

降解与矿化率(图1)。结果表明在适当的合成温度下能够获得较高稳定活性的

Au/TiO2@CNTs，远高于同制备条件下的TiO2，TiO2/CNTs和Au/TiO2

催化剂的活性。

▲图1.苯乙烯在(a)不同合成温度下Au/TiO2@CNTs和(b)不同催化剂上

的吸附、降解与矿化率.

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虽然纳米Au和CNTs的添加能够为TiO2提供高效的传质和降解反应活性

界面(图2)，然而随着反应时间的延长，催化剂的活性界面会因为界面态的变化

而诱发催化剂活性降低甚至失活的现象。

▲图2.(a)Au/TiO2@CNTs的SEM图,(b)TiO2的SEM图,

(c,d)Au/TiO2@CNTs的TEM图.

通过对光催化氧化产物分析，发现TiO2，TiO2/CNTs，Au/TiO2和

Au/TiO2@CNTs这几