硅藻土复合材料对室内甲醛降解的研究

王锋超 杨东凯 赵谱 赵素红 李臻

摘 要：对比不同百分比的P25镀铂与硅藻土的复合材料与硅藻土以及纯P25材料对室内甲醛降解吸附性能的影响，研究发现5%P25镀铂与硅藻土的复合材料的效果最好。本论文先将硅藻土和P25复合，再采用氯铂酸与其混合在超声波下将铂镀在P25上，再用硼氢酸钠将氯离子析出，最后得到0.5%Pt/P25-硅藻土复合材料。在确定硅藻土质量的前提下（硅藻土质量定为0.4g），通过改变加入P25的量分别制备2.5%，5%，10%的P25。对所制备的0.5%Pt/P25-硅藻土复合材料进行甲醛氧化测试实验，通过向密闭装置中注射甲醛溶液，打开小风扇使甲醛挥发，最终使甲醛气体稳定在100ppm，在常温和日光的条件下分别使复合材料和纯硅藻土材料以及纯P25材料对甲醛气体进行降解，测定一个小时内的甲醛讲解率，比较不同百分比的P25复合材料对降解甲醛的影响。通过一小时内甲醛降解量和时间关系数据图还有一小时内产生二氧化碳的量和时间关系图得到甲醛发现5%的P25对甲醛的降解率最好，对甲醛的降解率达到90%以上。由此可知0.5%Pt-5%P25-硅藻土的复合材料对甲醛吸附讲解的效果最好。并对复合材料进行扫描电镜实验（SEM），探究其形貌特征。进行X射线衍射测试（XRD），对复合材料晶体组成进行表征。

关键词：甲醛;光催化;硅藻土;镀铂;P25

一、前言：

目前常用的空气净化器主要应用活性炭等材料的强吸附性吸附甲醛，但是需要人定期清洁，更换吸附材料，否则容易造成二次污染。相对于物理法的短效和容易造成二次污染的问题，化学降解法具有持续高效，彻底清除，方便快捷等优势，越来越受到人们的青睐，并以光触媒最具有优势。硅藻土是一种生物成因的硅质积岩，它的主要的成分是蛋白质和其变种，主要化学成分是无定型二氧化硅，特点是松散，质轻，多孔，空隙呈规律分布。

硅藻土是一种吸附性载体，为多孔物质，比表面极大，是常用的催化剂载体。目前已被用作TiO2载体的有性炭，硅胶，中孔分子筛，沸石和粘土等。通过吸附使有机物在催化剂表面得到最大的富集，增大局部浓度以及避免中间产物挥发或游离，从而加快反应速度，并且实现吸附型载体的再生。利用具有极大比表面积载体的强吸附能力，就能够通过载体对反应物的吸附来达到二氧化钛对其持续性光催化作用。

硅藻土的成分主要是SiO2，因此，也可以与二氧化钛形成强有力的Si-O-Ti键，且用作载体的硅藻土一般直径是10-100um圆盘状粒形，它的表面分布滿了无数的微孔，因此比表面积比较大。如果把二氧化钛负载于硅藻土表面，不但可以利用二氧化钛和硅藻土之间的强结合力用来克服单一悬浮相光催化体系回收困难，难聚集等的缺陷，还可以发挥硅藻土自身强吸附能力。

纳米TiO2/硅藻土复合材料产品的应用性能主要体现在长效和高效两个方面。在除去甲醛时，在日光灯下48h内对甲醛的去除率≥80%。另外，硅藻土负责吸附甲醛，二氧化钛负责光催化分解，生成二氧化碳和水，即便吸附便分解，再吸附再分解，持续的去除甲醛，即使在夜间没有光照的条件下也能吸附甲醛，有光照时再进行分解。

铂纳米微粒具有高表面能，容易发生团聚，二氧化钛是一种活性载体如果将铂负载在二氧化钛上，可以大大提高其催化活性。这种光催化性能的提高是基于光电化学机理。当费米能级不同的金属和半导体相互接触时，电子就从费米能级较高的半导体流向较低的金属，直到两者的费米能级相同为止，这时候金属表面获得多余的负电荷而半导体表面有多余的正电荷，因此半导体能带上弯曲，形成耗尽层这样在金属—半导体界面上形成了所谓的势垒。[8]而铂是一种贵重金属，负载量要越少越节约成本。

本论文主要对硅藻土材料对室内甲醛降解性能进行了研究，分别以2.5%，5%，10%P25与硅藻土复合并和0.5%的Pt负载，研究了不同百分比的P25镀铂复合硅藻土材料对室内甲醛降解性能的影响。

二氧化钛是一种半导体，分别具有锐钛矿，金红石以及板钛矿三种晶体结构，其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化作用。

本论文所用材料P25属于混晶型，锐钛矿和金红石的重量比大约为80/20，由于两种结构混杂增大了TiO2晶格内的缺陷密度，增大了载流子的浓度，使电子、空穴数量增加，光催化作用持久，其催化性能将大大提高。

二、实验

2.1甲醛降解实验装置

用注射器将甲醛液体从进样口注入反应器内开启小风扇使甲醛液体完全挥发，最后使甲醛气体稳定在100ppm。拉开表面皿，使材料对甲醛气体进行降解。使降解反应进行一小时，关闭仪器。

2.2实验内容

2.21 纳米 /硅藻土复合材料的制备

取0.5g的硅藻土和0.5g的P25于两个烧杯中，各加入10ml蒸馏水，超声10min，加入0.5312ml的10g/L的氯铂酸溶液，磁力搅拌1h，作为溶液1;用电子天秤秤取0.38g NaBH4和0.4gNaOH，加入10ml的蒸馏水，配置成0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的NaBH4混合溶液，为溶液2。取溶液2的3.125ml溶液快速加入溶液1中，混合溶液变黄。磁力搅拌30min。在100℃下搅拌蒸发。在80℃下干燥。分别记为样品1，样品2。分取0.04g 0.019g，0.0088g 的P25和四份0.36g硅藻土于四个烧杯中，加入10ml蒸馏水，超声均匀10min，配置成10%，5%和2.5%的P25，加入0.5312ml 10g/L的氯铂酸溶液，磁力搅拌1小时，作为溶液1。取0.038g 和0.04gNaOH样品于烧杯中，向烧杯中加入10ml蒸馏水，配成混合溶液，作为溶液2（0.01mol/L 和 0.01mol/LNaOH）取溶液2的3.125ml混合溶液，快速加入溶液1中，磁力搅拌30min，100摄氏度下搅拌蒸发。80度下干燥。分别记为样品3，样品4，样品5。

2.22 纳米 TiO2/硅藻土复合材料的光催化实验

分别取 样品1，2，3，4，5，0.3g放于表面皿中，均匀铺展开。将表面皿放在封闭的甲醛测试仪器内，用另一表面皿盖住样品。用10ul的微型注射器注入甲醛测试器中，等甲醛浓度平衡在100ppm左右，拉开表面皿让甲醛吸附降解甲醛，降解1小时，对比不同百分比的P25对降解甲醛性能的影响。

三、数据分析

3.1 复合材料的SEM形貌分析

纯硅藻土和0.5%Pt-p25-硅藻土复合材料，分析得出，硅藻土具有孔道结构，因此决定了硅藻土具有良好的吸附性能。对比发现，0.5%Pt-p25-硅藻土孔径减少或被填充，说明硅藻土表面和孔道均布满了纳米P25和Pt或被薄膜状的P25以及金属铂包覆。

3.2复合材料的XRD图谱分析

根据五种样品的XRD示意图，由图可知d材料没有GZT的吸收峰，而d材料的P25吸收峰最强，e材料没有P25的吸收峰，但是其GZT的吸收峰强度最大。而材料a，b，c的P25 GZT强度越来越大。由此可看出d材料为纯P25材料，e是纯GZT材料，a，b，c，分别是2.5%，5%，10%的P25和GZT复合材料。表明P25和GZT发生复合，形成新的复合材料。由XRD图谱可以看出不同百分比的P25都成功的和硅藻土材料复合，并且10%P25的硅藻土复合材料中P25衍射峰最强，5%的次之，2.5%的最弱。可知加入P25高的复合材料中P25含量也高。

3.3硅藻土负载P25后对光降解的影响

根据纯硅藻土和不同百分百比的P25与硅藻土复合以及纯P25对甲醛降解率和时间的关系得出，纯硅藻土对甲醛的降解效果最差，5%的P25与硅藻土复合材料对甲醛的降解效果最好。说明在硅藻土负载P25之后得到的复合材料对甲醛的降解效率更好，而且硅藻土价格低廉，P25价格昂贵，这种复合材料大大降低了催化剂的成本。由图可看出30min左右5%的P25镀铂与硅藻土的复合材料对甲醛的降解率已经达到90%且其降解速率最快。甚至其降解效果比纯P25的效果还好一些。

根据不同材料降解和吸附甲醛产生 CO2与时间的关系得出，纯的GZT产生二氧化碳的两最少，P25产生二氧化碳的最终量最多，而2.5%，5%，10%的P25产生的二氧化碳的量显著提高。说明P25不仅和硅藻土发生复合，而且能够更加高效的降解甲醛气体。

结论：

1）硅藻土具有较大的比表面积，较强的吸附性和较高的孔隙度，是一种良好的载体材料。本论文将P25和Ti与硅藻土复合，P25和Ti成功涂覆在硅藻土的空隙间。2）应用XRD，SEM测试方法对原硅藻土，以及复合后的硅藻土形貌，表面组成以及包覆分析，发现负载后硅藻土表面空隙减少。3）在可见光条件下复合材料对100ppm的甲醛氣体尽心降解，5%的P25复合材料对甲醛的降解效果最好，一小时降解率达90%，且可边吸附边降解。

参考文献

[1] [俞成林，康勇等.硅藻土基纳米TiO2降解甲醛的实验研究.天津大学化工学院，2011：54]

[2] [赵洁.纳米TiO2光催化降解气体甲醛的研究.成都理工大学，2007：4]

[3] [俞成林，康勇等.硅藻土基纳米TiO2降解甲醛的实验研究.天津大学化工学院，2011：54]

作者简介：王锋超，（1985，01-），男，河南周口，研究生，工程师，中南大学。