基于氯自由基链式反应的臭氧可见光消除研究

doi:10.7503/cjcu20240187

摘要/Abstract

摘要：

随着地球大气中臭氧（O₃）浓度的逐年升高, 臭氧已成为大气污染治理的一个重要污染物. 羟基自由基光催化反应对臭氧消除性能偏低, 仅提高羟基自由基产量的改性方法已不适用于臭氧光催化消除. 本文以Bi₂WO₆为基础, 先后进行了Fe掺杂以及TiO₂负载, 制备了一系列Fe-Bi₂WO₆@TiO₂复合材料, 并对复合材料进行了物性表征及臭氧催化活性测试. 结果表明, Fe-Bi₂WO₆@TiO₂材料具有典型的包覆结构, 表现出可见光响应并激发了氯自由基的生成. 氯自由基作为消除O₃的活性物种，驱动了一种类似“臭氧层空洞效应”的光化学反应机制, 即表面氯化的TiO₂受光激发产生氯自由基, 引发链式反应, 大幅提升了臭氧分解的性能. Fe-Bi₂WO₆@TiO₂对O₃的消除率最大为93%. 氯自由基的引入以及复合材料可见光响应的拓展, 可大幅提升光催化臭氧消除能力.

关键词: 氯自由基, 可见光响应, 光催化, 臭氧, 包覆结构

Abstract:

The concentration of ozone（O₃） in our atmosphere has increased， which makes O₃ a crucial pollutant in the prevention of air pollution. The photocatalytic reaction based on hydroxyl radical has low ozone elimination performance， and the modification method that only increases the production of hydroxyl radical is not suitable for ozone photocatalytic elimination. In this paper， a series of Fe-Bi₂WO₆@TiO₂ composites were prepared by Fe doping and TiO₂ supporting successively based on Bi₂WO₆. A series of physical properties characterization and ozone catalytic activity tests were carried out for the composites. The results show that Fe-Bi₂WO₆@TiO₂ has a typical coating structure， exhibits visible light response， and stimulates the formation of chlorine radicals. Chlorine radicals act as active species for eliminating O₃， driving a photochemical reaction mechanism similar to the "ozone hole effect"， that is， the surface chlorinated TiO₂ was photoexcited to produce chlorine radicals，triggering a chain reaction，and greatly improving the ozone decomposition performance. The maximum elimination rate of O₃ by Fe-Bi₂WO₆@TiO₂ is 93%. The introduction of chlorine radical and the expansion of visible light response of the composite can greatly improve the photocatalytic ozone elimination ability.

Key words: Chlorine radical, Visible light responsive, Photocatalysis, Ozone, Coating structure

中图分类号:

O641

TrendMD:

赵子旺, 丛树睿, 王春宇, 周术元, 彭猛, 王磊, 许嘉钰. 基于氯自由基链式反应的臭氧可见光消除研究. 高等学校化学学报, 2024, 45(9): 20240187.

ZHAO Ziwang, CONG Shurui, WANG Chunyu, ZHOU Shuyuan, PENG Meng, WANG Lei, XU Jiayu. Study of Ozone Elimination via Chlorine Radical Chain Reaction Under Visible Light. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(9): 20240187.

图/表 13

Fig.1 TEM images of FBWO@T5(A) and FBWO@T5C(B)Inset: selected area electron diffraction(SAED).

Fig.2 TEM image(A) and EDS element mapping images(B—F) of FBWO@T5(B) O; (C) Ti; (D) Fe; (E) W; (F) Bi.

Fig.3 TEM image(A) and EDS element mapping images(B—G) of FBWO@T5C(B) O; (C) Cl; (D) Ti; (E) Fe; (F) W; (G) Bi.

Fig.4 XRD patterns of TiO2, FBWO, FBWO@TX, and FBWO@T5C

Fig.5 UV⁃Vis DRS spectra of TiO2, FBWO, FBWO@TX and FBWO@T5C

Fig.6 Mott⁃Schottky curves of FBWO and TiO2

Fig.7 Effect of composite ratio on ozone removal rate of FBWO@TXC

Fig.8 Effect of reaction humidity on ozone removal rates of FBWO@T5C, TC and FBWO@T5

Fig.9 4×24 h long period reaction of FBWO@T5C, TC and FBWO@T5 to ozone

Fig.10 Fluorescence intensity of FBWO, TiO2 and FBWO@T5C

Fig.11 Photocurrent intensity of FBWO, TC, and FBWO@T5C

Fig.12 Electrochemical impedance spectra of TiO2, FBWO and FBWO@T5C with light and without light

Fig.13 EPR spectra of FBWO@T5C and TC(A) Hydroxyl radical; (B) superoxide radical; (C) chlorine radical.

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