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摘 要

光催化技术对环境污染物的降解、特定物质的转换具有正面意义。它能去除异味，将一些有害废气还原为安全的物质。由催化过程中并不用额外使用添加剂，所以光催化理论上没有二次污染。但是以前的光催化技术存在催化剂转换效率较低、需要特定波长的紫外光以及超声波制造环境太严格等问题。本文研究并提出了一种新的压电光催化方案，它使用了更高活性的Co₃O₄纳米光催化剂代替TiO₂催化剂来合成多孔PVDF-HFP基复合压电薄膜。这种薄膜在紫外光照射与震动下，将有害有机污染物分解无机物。这种紫外光催化照射下的压电光催化技术可以有效地去除通风管道内挥发性有机物（VOC）气体。笔者预测这种方案较之传统的、由TiO₂改性而来的催化剂，具有更高的转换效率和耐久性。

关键词：压电光催化 PVDF-HFP Co₃O₄ 气相光催化 风能驱动

Enhancement of photocatalytic activity of wind-driven porous PVDF-HFP based composite piezoelectric thin films

Abstract

Photocatalytic degradation of Environmental Pollutants and conversion of specific substances are of positive significance. It can remove odor and reduce some harmful exhaust gas to a safe substance. Since no additional additives are used in the catalytic process, photocatalysis theoretically has no secondary pollution. But the former photocatalysis technology has some problems, such as low conversion efficiency of catalyst, special wavelength of ultraviolet light and strict manufacturing environment. In this paper, a new piezoelectric photocatalysis method was proposed, in which the porous PVDF-HFP composite piezoelectric film was prepared by using Co₃O₄ nano-photocatalyst with higher activity instead of TIO₂ catalyst. The film is irradiated by ultraviolet light and vibrated to decompose harmful organic pollutants into inorganic substances. The piezoelectric photocatalysis technology under UV photocatalysis can effectively remove the Volatile organic compound gas in the ventilation duct. It is predicted that this kind of catalyst has higher conversion efficiency and durability than the traditional catalyst modified by TIO₂.

Key Words：Photocatalysis; PVDF-HFP; Co₃O₄; Gas-phase photocatalytic; Wind driven

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2光催化 2

1.2.1光催化背景 2

1.2.2光催化原理 2

1.2.3半导体光催化剂 4

1.3 Co₃O₄纳米光催化剂 5

1.3.1 Co₃O₄的分子结构 6

1.3.2 Co₃O₄的光催化性能 6

1.4 PVDF-HFP 7

1.4.1 PVDF-HFP简介 7

1.4.2 PVDF-HFP 的压电效应 7

1.4.3 PVDF-HFP基凝胶态电解质的形貌结构 8

1.5气相光催化反应 8

1.5.1气相光催化反应器 8

1.5.2 VOC处理方法 9

第二章 实验部分 11

2.1研究内容 11

2.2实验试剂和设备 11

2.2.1 实验试剂 11

2.2.2 实验设备 12

2.2.3光催化剂的表征 12

第三章 PVDF-HFP复合光催化薄膜的制备 13

3.1引言 13

3.2实验部分 13

3.2.1 Co₃O₄纳米颗粒的制复合压电薄膜的制备 13

3.2.2 多孔PVDF-HFP制备 14

3.3 结果与讨论 15

3.3.1 Co₃O₄纳米颗粒选择理由、预计制备步骤 15

3.3.2复合压电薄膜制作方法的选择、预计制备步骤 16

3.3.3制得材料可能拥有的性能预测 16

3.4本章小结 17

第四章 风能驱动压电光催化性能测试 18

4.1引言 18

4.2实验部分 18

4.2.1光催化性能测试实验 18

4.3结果与讨论 18

4.3.1装置预计结构与实验预计步骤 18

4.3.2预期催化效果 19

4.4本章小结 20

第五章 总结 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪论

1.1引言

从20世纪70年代开始，光催化技术作为一种新的纳米技术开始出现，并且蓬勃发展。90年代以后，出于处理饮用水、污水、空气污染等各种方面的考虑，它在环境保护、医疗卫生、有机合成等领域的应用技术备受关注。与此同时，与纳米量级光催化剂有关的研究变成了国际上的热点研究课题^[1]。

几十年以来，现有光催剂化以n型半导体催化剂为主。此种催化剂可基于吸收光子能量产生电子和空穴来参与氧化-还原反应。半导体纳米催化剂粒子会吸收光能，如果这个能量大于能带隙，此时会激发粒子中价带中的电子。经禁带，电子跃迁至导带之上，最后价带上形成电子-空穴对，此种空穴相对稳定。由于空穴、电子的氧化性、还原性使得催化剂表面吸附大量光催化剂表面的空穴并与之表面的反应物形成氧化、还原反应，降解反应物^[2]。

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