Pt/TiO?光催化固定床系统在高效降解硝基苯中的应用：机理、动力学及工业可行性分析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Pt/TiO 2 Photocatalytic Fixed-Bed System for Efficient Nitrobenzene Degradation: Mechanism, Kinetics, and Industrial Feasibility

硝基苯降解|Pt/TiO?固定床|光催化|Schottky势垒

　　

Kun Jia|Xiaofeng Zhai|Yangzhuoqi Zhou|Yeheng Qiu

河南大学纳米材料工程研究中心，开封，475000，中国

摘要

硝基苯（NB）是一种有毒且难以处理的有机污染物，在工业废水中普遍存在。传统处理技术面临诸多挑战，包括矿化不完全、稳定性差和成本高昂等问题。为了解决这些问题，本研究开发了一种负载铂（Pt）的TiO₂光催化固定床系统。通过光沉积法制备了Pt/TiO₂，其中超过95%的金属Pt⁰均匀地沉积在TiO₂表面，形成了肖特基势垒。XRD、SEM/TEM、XPS和EIS等表征方法证实，负载铂后TiO₂仍保持锐钛矿/金红石结构，并且光生电子-空穴对的分离效率得到提升，其光电流密度约为纯TiO₂的两倍。与浆态床系统相比，固定床系统的性能更佳：在600分钟内可将1000 mg/L的硝基苯降解73.7%，平均降解速率为1.23 mg/(L·min)，是浆态床系统（降解率为35.8%，平均降解速率为0.60 mg/(L·min)的2.06倍。在pH=4、氧气（O₂）氛围下，系统表现出最佳性能，氧气促进了•O??和•OH的生成，使硝基苯高效矿化为二氧化碳（CO₂），且几乎不产生苯环中间体。氯离子具有双重作用：0.05 M的Cl^-通过含氯自由基略微加速了降解过程，而过量的Cl^-（超过0.05 M）则通过竞争活性位点抑制了降解反应。体积为10 L的放大试验中，硝基苯在100分钟内几乎完全降解；十次循环运行后活性未见明显下降。本研究阐明了铂修饰与固定床设计的协同机制，为光催化技术在难处理有机废水处理中的工业应用提供了坚实基础。

试剂

硝基苯（C₆H₅NO₂）、苯胺（C₆H₅NH₂）、氢醌（C₆H₄(OH)₂）、对苯醌（C₆H₄O₂）、氨基酚（C6H7NO）、甲酸（HCOOH）、乙酸（CH₃COOH）、硫酸（H₂SO₄）、氢氧化钠（NaOH）、六水合氯铂酸（H₂PtCl₆·6H₂O）、乙醇（C₂H₅OH）、氯化钠（NaCl）、硫酸钠（Na₂SO₄）、草酸铵（(NH₄)₂C₂O₄）和异丙醇（C₃H₈O）均采用分析纯。P25（TiO₂）购自Evonik（德国）。

仪器与表征条件

X射线衍射（XRD）结果如图2所示，展示了通过光沉积法制备的P25和Pt/TiO₂的XRD图谱，以及锐钛矿（JCPDS 71-1166）和金红石（JCPDS 21-1276）的标准衍射谱。从图谱中可以看出，纯P25和Pt/TiO₂的衍射峰位置基本一致，且与标准谱型高度吻合，说明金属Pt的沉积并未改变TiO₂的晶相结构。

光催化固定床中硝基苯的降解机制

图17阐释了Pt/TiO₂固定床反应器中硝基苯光催化降解的集成机制，该机制综合了光电转换、电子转移和硝基苯的氧化还原反应，并有相应的实验数据支持。在紫外光照射下，TiO₂的价带电子被激发到导带，价带留下空穴。金属Pt⁰均匀沉积在TiO₂表面，形成肖特基势垒，从而促进硝基苯的降解。

结论

本研究开发并系统验证了一种Pt/TiO₂光催化固定床系统，用于高效降解硝基苯，有效解决了传统技术的关键局限性，并证明了其工业应用潜力。光沉积法成功制备了Pt/TiO₂，其中超过95%的金属Pt⁰均匀分布在TiO₂表面；XRD结果表明TiO₂保持了锐钛矿/金红石晶相结构，避免了可能降低其光催化活性的相变。

未引用参考文献

[100], [101], [102]

CRediT作者贡献声明

Yangzhuoqi Zhou： 资源准备。 Yeheng Qiu： 软件开发。 Kun Jia： 原稿撰写、数据可视化、正式分析及数据整理。 Xiaofeng Zhai： 方法设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢 本研究得到了河南大学和中国科学院煤炭化学研究所的财政支持。