室内空气光催化降解安全性研究

针对光催化研究及应用中存在的中间产物毒性及降解反应安全风险问题，选择有代表性的光催化剂，采用现代材料物理和化学表征手段，研究催化剂的表面形态、光生电子寿命和密度、表面活性基团、活性位、态密度、表面酸性、光生电子空穴对的迁移及分布规律等。结合PTR-MS、TPD-MS和FT-IR所获得气相的、吸附可挥发的、吸附不可挥发的中间产物，探明中间产物在催化剂表面的吸附-脱附及竞争吸附过程；揭示催化剂本征特征(能带结构及位置、电子-空穴浓度和催化剂表面特性等)、湿度和光源与中间产物的分布规律；选用高精度理论水平和合适的基组，在Gaussian程序上，对所研究的体系进行系统的计算，从电子转移层面探明中间产物的生成机理；运用健康风险指数，探明光催化过程的毒理学特性，获得光催化剂本征特征、湿度和光源对光催化降解安全性的影响及规律，为光催化剂及组件的研发和反应条件的优化提供理论支撑。

人大部分时间是在室内度过的，室内空气中普遍存在的如苯系物(如苯和甲苯)、烃类(正己烷)等挥发性有机化合物(VOCs)严重危害人体健康。近年来，我国还迎来了雾霾天气的集中和持续大爆发现象，大气污染问题日益严峻。人们在大气污染严重时经常被建议呆在室内，因此室内空气质量显得格外重要。光催化氧化技术(PCO)因操作简单、反应温和等特点在室内空气净化领域得到了广泛关注。但PCO并不能如理论所述将室内VOCs完全矿化成CO2和H2O，甚至会产生毒性比前驱体更强的中间产物，因此人们对光催化降解室内VOCs的安全性产生了疑虑。. 在光催化降解ppbV级室内甲苯过程中，本项目也检测到了13种气相中间产物，7种吸附可挥发性和吸附不可挥发的中间产物。进一步分析后发现甲醛、乙醛和丙酮等易挥发性VOCs易在气相中累积，是影响健康风险的主要因素。苯、甲酸易吸附在光催化剂表面，占据活性位，使催化剂中毒，但可通过VUV光照实现光催化剂的再生。基于此，本项目通过建立健康风险指数(η)模型评价光催化降解的安全性，并发现光催化剂、相对湿度(RH)和光源等条件可调控η值。当以N-TiO2为光催化剂，VUV为光源，调节RH至45%时，η可降至0.96，表明光催化降解过程可控制在安全范围内。. 通过比表面积分析仪、电子顺磁共振、态密度泛函理论、交流阻抗等手段分析光催化剂的比表面积、光生电子寿命和密度、表面活性基团、态密度(DOS)及光生电子空穴对的迁移及分布规律，项目发现一方面，提高光催化剂的比表面积，可提高光催化剂吸附能力，增加光催化反应活性位点；另一方面，光生电子空穴对的有效分离，可促进•OH等活性自由基的产生，实现室内VOCs的高效矿化。因此，本项目采用掺杂、贵金属负载、异质结复合、构建Z体系等手段开发了Cu-TiO2、Pt/SnO2/TiO2、CuO/BiVO4、BiVO4/RGO/Bi2O3等多种新型绿色光催化剂，并结合多种表征手段探明光催化剂的本征特征，阐明光催化剂本征特征与光催化降解率、矿化率之间的关系。. 本项目开发了多种新型绿色光催化剂，在关注室内VOCs降解率的同时，更从健康风险角度对中间产物的产生和影响机制进行了有力探索，通过优化光催化剂、RH和光源实现了健康风险指数的调控，为光催化剂及组件的研发和光催化净化室内空气的实际应用提供了支撑。

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