作者：张毅
笔者以Ti02纳米管为光催化剂，结合活性炭吸附海绵设计了一款光电催化空气净化器。在工作效果检测中，通过向密封舱中注入甲醛，并利用空气净化器对其进行降解。考察了空气净化器各部件的工作效果，外加电流对光催化剂净化甲醛的影响和光催化剂的使用寿命。
1 实验部分
1.1 光催化剂制备与表征
以钛板（纯度为99. 70/0）为基板，裁剪成20.0 cm×10.0 cm×0.1 cm，在超声波清洗机（KQ -100B型，昆山市超声仪器有限公司生产）中依次用丙酮和去离子水进行清洗。用HN03和HF混合的抛光液去除表面的氧化膜。干燥后，以阳极为钛板，阴极为镍板，电解液选用NH4F、H20和乙二醇的混合溶液，用H3P04调节电解液pH至5.0，调节电压至60 V，搅拌下反应2h。反应结束后洗净，放人马弗炉（MJ -L2301型，天津华北实验仪器有限公司生产）中450℃煅烧2h。
通过扫描电子显微镜（Zeiss Supra 55型，德国蔡司公司生产）观察Ti02纳米管样品的外观形貌，再通过X-射线衍射仪（XD一3型，北京谱析通用仪器责任有限公司生产）测试样品的晶型结构。
1.2 空气净化器的设计与制作
空气净化器外型尺寸为220 mm×255 mm×440 mm，结构如图1所示。
风机出风口直径为150 mm，风量为200m3／h。由铁丝网栅格和活性炭过滤海绵组成一级过滤层。紫外灯选用3个9W的H型双灯管，波长为253.7 nm。在三棱柱支架迎风的2个平面固定Ti02纳米管基板，三棱柱状设计有利于提高紫外光的有效利用率。在尾部单独安装变压器，将220 V交流电转化为SV直流电，将4块基板以并联的方式连人电路中，利用变阻箱改变光催化剂上的通过电流。
1.3检测步骤
空气实验舱为30Ii3的密封舱，密封舱可控温[(15~40)±0.5℃]、调湿[ (200/0~90%)+5%].根据《空气净化器》( GB/T 18801-2002)的实验步骤，调节密封舱内温度为20℃，相对湿度为40%。密封舱内甲醛选用标定后的37%的甲醛原液自然挥发，用风扇使密封舱内甲醛混合分布均匀，使室内甲醛质量浓度为(0. 34 +0. 2)m∥IT13。在室内中心放置空气净化器并工作，甲醛测定仪选用Interscan4160型甲醛测定仪，预热调零后采样读数。
2结果与讨论
2.1 Tio2纳米管光催化剂表征
T102纳米管电镜图如图2所示。
由图2可见，阳极氧化法制备的Ti02纳米管排列整齐、轮廓清晰。在纳米管表面有部分亮白色区域，其为劈裂的纳米线。纳米管内管径平均约为132 nm左右，壁厚约为10 nm左右，管长为(5.8±0.2) um。
Ti0，的XRD图如图3所示。
二氧化钛纳米管在烧结后结晶，晶型有锐钛矿晶型和金红石晶型，其中锐钛矿晶型光催化活性高。由图3可以看出，20在37. 92、40. 52、53. 20。出现的衍射峰为钛基底的特征峰，这是由于X射线穿透能力强，透过Ti02膜照射至钛基底形成。在26. 63、47. 95、63. 57。和70. 58。为锐钛矿型Ti02的特征峰，峰强度高，光催化活性强。
2.2 空气净化器各部分工作效果
空气净化器各部分的净化效果如图4所示。由图4可以看出，空气净化器在甲醛初始质量浓度为0. 34mg／m3，空气净化器在使用3h后彻底净化甲醛。去除活性炭吸附层，单一的光催化部分工作时，其表面通过电流为0.1 A时，在使用3h后，甲醛净化率已达到98. 7%，3.5 h后彻底降解密封舱内甲醛。只有活性炭吸附海绵工作时，活性炭海绵吸附4h后甲醛降解率为84.3 010。
活性炭吸附海绵虽然效果不如光催化剂，但是其可以吸附颗粒灰尘，防止光催化剂被污染。
2.3外加电流大小对光催化剂处理甲醛的影响
去除活性炭海绵后，调节变阻箱使光催化剂上通过的电流分别为0. 20、0.10、0.05、0.01 A和OA。其净化效果如图5所示。由图5可以看出，无外加电流时，4h后降解率为70.3 010。电流为0.2、0.1、0. 05 A和0.01 A时，其降解率分别为100%、100%、84. 5%和76. 1010。随着电流从OA增加至0.1 A时，其净化甲醛效果也不断提高，由此可见，外场电流对光催化剂的工作效果有提升。但是当电流到达一定程度，电流从0.1 A提升至0.2 A后对光催化剂净化效果相似，效果提升不明显。
这是因为外电场中电势梯度的存在使其提高了捕获光生电子的能力，光生电子向阳极方向定向移动，进而降低了电子一空穴对的复合，整个光催化剂的净化能力因此得到明显加强。但是激发出的光电子数量有限，外加电流只是一个外加的提升手段，光电子数量主要来源于光催化剂的晶型结构等自身性质，因此外场电流到达一定大小后，对光催化剂的提升效果不再增加。因此，选择空气净化器外场电流为0.1 A，既便于控制又相对安全节能。
2.4光催化剂使用寿命
空气净化器去除活性炭吸附层后，Ti02纳米管在使用0、240、480 h和960 h后净化甲醛效果如图6所示。工作3h后，其净化率分别为98.7%、96.5 010、94. 1%和92. 6%。使用960 h后，光催化剂净化效果降低为6. 2%。
3结论
(1)采用阳极氧化法制备的T102纳米管排列整齐，具有较强光催化性能，可以降解空气中甲醛。
(2)通过密封舱实验，当甲醛初始质量浓度为0. 34m∥m3，空气净化器整体工作3h后彻底降解甲醛。单一的光催化部分工作3.5 h后彻底降解甲醛。单一活性炭吸附海绵工作4h后降解率为84.3 010。
(3)外场电流的加入提高了光催化剂的工作效果，电流增大到0.1 A后，对催化剂净化效果不再提升。
(4) T102纳米管基板上在使用960 h后，光催化活性没有明显降低。
4摘要：为了降解室内空气中游离甲醛，通过T102纳米管光催化剂和活性炭吸附层制作空气净化器，并在光催化剂表面外加电流提高光催化净化速度。利用扫描电子电镜( SEM)和x-射线衍射(XRD)观察光催化剂的表面形态与晶型。实验结果表明，空气净化器整体工作3h后降解率为100%。光催化部分工作3.5 h后降解率为100qo。活性炭吸附海绵工作4h后降解率为84. 3%。外场电流的加入，提高了光催化剂的工作效果，电流增大到0.1 A后，催化剂净化效果不再提升。光催化剂寿命测试实验中，T102纳米管基板在使用960 h后，光催化活性降解效果仅降低6.2%。
