《Al基金屬氧化物催化臭氧降解水中有機物機理理論研究》是依託哈爾濱工業大學，由周欣擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：Al基金屬氧化物催化臭氧降解水中有機物機理理論研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：周欣
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
近年來金屬氧化物催化臭氧降解水中有機物受到了廣泛關注，但反應環境複雜及缺乏有效檢測手段導致其催化機理不清晰。為解決目前實驗機理研究存疑的問題，本項目擬以密度泛函理論（DFT）方法為研究手段，以具有不同催化活性且催化機理存在爭議的γ-Al2O3和γ-AlOOH為催化劑模型，以相對氧化鋁表面具有不同吸附能力的水中典型難降解有機物草酸和苯酚為待降解有機分子，通過建立固-液界面模型，探討水、臭氧和有機分子在界面競爭吸附關係，模擬羥基自由基生成及有機分子分解過程，揭示表面水合結構、固-液界面作用和表面羥基形態對反應機理的影響因素。利用從頭算分子動力學模擬兩種金屬氧化物催化臭氧降解有機分子過程，將其結果與DFT機理互相印證，尋找可能存在的新反應途徑。本研究將為實驗尋找、設計新型高效催化劑、增加臭氧使用效率提供理論依據，也可為今後多相催化臭氧機理模擬提供合理的理論模型。
結題摘要
金屬氧化物能催化臭氧產生羥基自由基，羥基自由基對難降解有機物有很強的氧化能力，能氧化大部分的有機物。催化臭氧氧化的金屬氧化物被認為是一種非常有前景的套用於水處理技術的氧化劑。近幾十年來，許多金屬氧化物如二氧化錳，二氧化鈦，FeOOH和氧化鋁，已被證明具有較高的氧化效率。然而到目前為止，在催化臭氧化過程中產生的羥基自由基的機制仍然十分模糊。其主要原因之一是在水溶液中催化過程的複雜性。第一，臭氧分子和水分子，在金屬氧化物催化劑的反應活性中心相互競爭，臭氧分解的中間體和自由基的難以捕捉；第二，臭氧和有機分子在固-液界面的吸附在實驗中難以檢測。研究表明有效的氧化過程，並不一定要求有機物質吸附在催化劑的表面上，事實上吸附在催化劑表面上的有機物反而抑制了催化效果。實驗在廢水中並沒有檢測到有機化合物吸附在金屬氧化物催化劑上（二氧化鈦，氧化鋁，氧化錳），說明有機物與表面沒有相互作用。因此，在一定反應條件下。有機物不會吸附在催化劑表面，或有限的吸附未必能導致催化反應的發生。一個具有催化活性的催化臭氧化反應，必須具備至少一種反應物吸附於催化劑表面的條件。因此本課題主要考慮與水有強烈相互作用的臭氧吸附於催化劑表面的機制。在本課題中，基於DFT方法的大量計算詳細地闡明產生羥基自由基的機理，研究了水分子在γ-Al2O3表面的吸附類型，水和臭氧的競爭行為，表面羥基對臭氧的吸附影響，詳細探討了生成羥基自由基的過程和生成自由基的反應位點，同時計算了甲酸，乙二酸和吡啶在γ-Al2O3（110）面上的吸附，解釋了三種有機物不同吸附能力的原因，最後分析了臭氧在γ-Al2O3（110）面，γ-AlOOH（100）面 和 α-FeOOH（100）面的吸附行為。本課題認為在γ-Al2O3（110）面上吸附的水分子解離成表面羥基，不同位點的羥基具有不同的反應活性，且表面羥基密度的增加有利於分子的吸附，臭氧在0.375ML的表面的AlI-OH和AlIII-OH上最易生成O2-OH，O2-OH會進一步生成羥基自由基和氧氣。有機物在γ-Al2O3（110）面上既有物理吸附也有化學吸附，有機物的化學性質對吸附有重要影響。計算表明γ-Al2O3表面比γ-AlOOH和α-FeOOH表面具有較強的吸附臭氧能力。
