陈镜清
浙江理工大学 浙江 杭州 310018
摘 要：本实验采用介质阻挡放电产生低温等离子体对浸渍法制备的 Au/TiO2 催化剂进行改性，研究了等离子体放电时间对催化剂性能的影响。选取二甲苯作为污染物气体，对比考察等离子体改性和焙烧制备的 Au/TiO2 催化剂对二甲苯去除率、CO 和 CO2 选择性的影响，并通过 BET 比表面积、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）和 X 射线光电子能谱分析（XPS）进行表征测试。结果表明，TiO2 对二甲苯的去除有促进作用；Au 负载在 TiO2 上能促进二甲苯的完全氧化，提高 COx 的选择性；等离子体改性作用能生成粒径较小的催化剂，有较好的表面分散性。本文主要对低温等离子体改性金催化剂的特性研究做简单概述，对具体实验内容不做太多介绍，只是对研究背景、研究内容及研究结果做简单介绍。
关键词：介质阻挡放电；低温等离子体；Au/TiO2；二甲苯
一、研究背景及意义
近年来，我国城市化发展迅速，同时伴随着大量工业源污染废气的排放，导致大气环境污染问题日趋严重。其中，挥发性有机物（VOCs）会在进入大气后发生光化学反应，造成臭氧浓度增加以及灰霾等现象，是区域性大气污染的重要前体物之一[1-3]。VOCs 成分复杂，具有毒性和刺激性，会刺激眼睛、呼吸道等直接暴露在空气中的人体器官，使人产生诸多不适感，特别是苯、甲苯及甲醛等物质，易诱导突变，有致畸和致癌作用，对人体健康构成了极大的危害[4]。
传统 VOCs 处理方法存在运行时间长、设备费用高、容易造成二次污染以及安全性差等问题，在处理挥发性有机污染物方面受到限制，而等离子体法因其具有适用性广泛、操作简便、反应条件温和等优点，成为了目前研究的热点。研究表明，单一等离子体技术处理挥发性有机物的产物选择性较低，并且能量的利用效率不高，而催化剂高选择性、高降解效率的特点，能够弥补单一等离子体降解 VOCs 时所存在的不足。等离子体协同催化降解挥发性有机污染物具有工艺简单、产物选择性高、节能、清洁等优点[5]，在空气污染治理领域有较为广阔的应用前景。
自 20 世纪 80 年代末发现金以小颗粒形式分散在氧化物载体上具有催化活性以来，金基催化剂的制备就得到了广泛的研究[6]。在室温条件下，负载金对 CO 的氧化反应具有显著的催化效果。同时，Haruta 等人[7]证明 Au 以纳米团簇的形式分散在 TiO2 载体上，可以相互影响并在 CO 低温氧化反应中起催化作用。本实验采用自制管式介质阻挡放电反应器产生低温等离子体，对浸渍法制备的Au/TiO2 催化剂进行改性，研究等离子体放电时间对催化剂性能的影响。选取二甲苯作为典型 VOCs 气体，考察低温等离子体协同 Au/TiO2 催化剂对二甲苯去除率、CO/CO2 选择性的影响，希望将研究结果应用于实践，为实际应用提供理论依据和技术支持。
二、低温等离子体概述
（一）低温等离子体技术原理概述
低温等离子体中的电子温度可高达 104K-105K（1-10eV），远大于离子温度，可产生大量高能活性粒子与 VOCs 气体发生一系列物理化学反应，因而被广泛应用于大气环境污染物治理中。
低温等离子体对挥发性有机污染物有较好的去除效率，但是单一地使用等离子体处理挥发性有机污染物时，产物中会包含大量 O3、NOx 等副产物，目标产物的选择性较低，且输入能量较低时，对污染物的降解效率不高，大大限制了该技术在未来的发展。而催化剂表面能够吸附气相中的活性粒子以及 VOCs 分子，进行催化作用，同时降低反应活化能，具有高选择性、高降解效率的特点。等离子体协同催化降解 VOCs 这一技术因其具有高产物选择性、高降解效率、反应条件温和等优势[7]，成为目前大气环境污染治理的一个新的研究方向。本实验选用介质阻挡放电产生低温等离子体，协同催化剂降解挥发性有机污染物。
（二）低温等离子体改性催化剂
低温等离子体中含有大量的电子、离子和激发态粒子等高能粒子，可以与催化剂表面基团相互作用，改进催化剂性能。国内外研究表明，利用等离子体技术处理催化剂可以提高其催化活性，具有良好的发展前景。经低温等离子体改性后的负载型金属催化剂的粒径较小，金属粒子在催化剂的表面分散性高，同时， 催化剂的稳定性和抗烧结、抗中毒性能增强。
三、主要研究内容
采取介质阻挡放电等离子体技术改性 Au/TiO2 催化剂，配比得到一定浓度的二甲苯气体作为典型 VOCs 污染气体，研究用于有机气体净化催化剂的最佳改性条件。主要从以下几个方面开展研究：
（1）选取 Au/TiO2 催化剂作为对象，在不同等离子体作用时间下对 Au/TiO2催化剂进行改性；
（2）将经过改性的 Au/TiO2 催化剂进行等离子体二甲苯净化，对催化剂进行评价；
（3）对评价效果好的催化剂进行表征，并讨论原理
四、总结
本实验选择自制管式介质阻挡放电反应器产生低温等离子体，对浸渍法制备的 Au/TiO2 催化剂进行改性，选取二甲苯作为典型 VOCs 气体，同时使用低温等离子体协同催化技术对模拟挥发性有机污染气体进行处理。由于篇幅受限，不对具体实验过程及实验内容展开详细阐述，先提供简单结论如下：
（1）单一等离子体对二甲苯有着一定的去除效率，随着能量密度的提高， 去除率整体线性上升，同时有一定的完全氧化效果，生成完全氧化产物 COx。
（2）纯 TiO2 对二甲苯的去除有着促进作用，但对 COx 的选择性不高；负载 Au 催化剂对二甲苯的降解效率低，但对 COx 的生成有非常明显的促进作用，且随着能量密度的增加，选择性呈稳定上升趋势。
（3）控制改性时间相同，对比焙烧和放电等离子体对催化剂的改性作用可以看出，等离子体改性催化剂对二甲苯的降解，随着能量密度的提升有着较好的上升趋势；对于产物选择性而言，经过等离子体改性作用后的催化剂对二甲苯的完全氧化效果更好，COx 选择性更高。
（4）等离子体改性催化剂时间越长，所得到的催化剂催化性能越好（对比1-3 小时内改性处理）。低温等离子体改性作用能够生成粒径较小的催化剂，且催化剂表面的分散度更高、稳定性更好。
参考文献
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[6] MAHMOOD A, SEONG I W. Enhancement of catalytic activity of Au/TiO2 by thermal and
plasma treatment[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2013, 30(10): 1876-1881.
[7] HARUTA M, YAMADA N, KOBAYASHI T, et al. Gold catalysts prepared by coprecipitation
for low-temperature oxidation of hydrogen and of carbon monoxide[J]. Journal of Catalysis,
1989, 115(2):301-309.
作者简介：陈镜清（1999——）男，汉族，浙江省绍兴市人，学生，本科在读，单位：浙江理工大学，研究方向：能源与动力工程专业。