余良浪,王永靖,鄒 菁,江吉周

(武漢工程大學 環(huán)境生態(tài)與生物工程學院,湖北 武漢430205)

1 引言

隨著國家經(jīng)濟的日益發(fā)展,人們對居住條件的要求逐步提高,裝飾和家具更新的頻率愈發(fā)迅速。而家具、裝修企業(yè)為了節(jié)省成本,在生產(chǎn)和施工過程中大量使用富含甲醛(HCHO)的粘合劑,這將導致新裝修的室內(nèi)環(huán)境中HCHO含量急劇增加。揮發(fā)性有機化合物(VOCs)對環(huán)境污染嚴重,而HCHO是室內(nèi)最常見的一種,其釋放周期可達十年甚至以上[1]。2004年,國際癌癥研究機構(gòu)將HCHO歸類為人類致癌物質(zhì)之一[2]。如果室內(nèi)HCHO濃度過高,會引起無法預測的健康風險,導致嚴重的呼吸系統(tǒng)疾病。因此,高效地降低室內(nèi)HCHO濃度對保持人體的健康具有十分重大的意義。

室內(nèi)空氣中的HCHO濃度與室內(nèi)溫度、濕度、空氣流通量、室內(nèi)家具和裝修材料中的HCHO蘊含量等幾個因素有關(guān)。室內(nèi)溫度和濕度越高,HCHO釋放越劇烈,濃度就會越高;室內(nèi)空氣流通量與室內(nèi)通風條件有關(guān),通風條件越差,流通量不足,室內(nèi)HCHO越容易積累,濃度就會越高;室內(nèi)家具、裝修材料的HCHO蘊含量越高,它們在自然狀態(tài)下釋放HCHO的能力越強,室內(nèi)HCHO的濃度就會越高,危害也就越大。目前,越來越多的研究者開始關(guān)注并探索HCHO降解,以期達到凈化室內(nèi)空氣的目的。日常生活中能夠接觸的降低室內(nèi)HCHO濃度的方法有通風法、植物吸收法、活性炭等吸附劑吸附法[3,4],另外還有光催化(PC)、電催化(EC)、光電催化(PEC)等工藝技術(shù)來降解HCHO,他們都有其自身的優(yōu)缺點(表1)。

表1 消除室內(nèi)HCHO的主要方法及其優(yōu)缺點

PC降解HCHO是一種高效且具有前景的技術(shù)[5],是基于PC催化劑在光照的條件下具有的氧化還原能力,從而達到凈化空氣的作用,一般是將HCHO降解為CO2和H2O。常見的PC催化劑主要有TiO2,g-C3N4等半導體材料。TiO2成本低,穩(wěn)定性好,但由于其帶隙較寬(3.20 eV),價帶電子只能被紫外光激發(fā)躍遷到導帶發(fā)生作用,且形成的光生電子-空穴(e--h+)對難以穩(wěn)定存在,容易快速復合。為了擴大TiO2光譜的響應(yīng)范圍,增強TiO2的電荷分離能力,通常將TiO2吸收波長拓寬至可見光區(qū),提高光生e--h+對的有效分離,一般需要對TiO2進行一定的改性[6,7]。同樣,g-C3N4具有2.7 eV的窄帶隙,通過改性可以增強其電荷的分離從而促進HCHO的降解,目前是一種應(yīng)用比較廣泛但仍是十分有研究價值的PC催化劑[8-9]。相關(guān)改性的方法主要有:半導體復合、染料敏化、金屬離子與非金屬離子摻雜以及貴金屬沉淀[10]。

EC降解技術(shù)主要是利用催化劑外通電壓的情況下,進行EC反應(yīng)從而達到降解污染物的目的[13]。Touny等人[14]利用納米多孔磷酸鎳修飾電極對HCHO進行了EC氧化,納米多孔磷酸鎳是由磷酸鎳前驅(qū)體通過水熱方法合成,在堿性溶液中對HCHO的EC氧化,證明了其制備的電極對HCHO EC氧化降解表現(xiàn)出了顯著的活性[15]。

PEC反應(yīng)技術(shù)是在PC技術(shù)基礎(chǔ)上導入外加電壓,引入的電極可以作為催化劑的載體,讓其充分地接觸并且反應(yīng),防止催化劑使用后快速分離;同時,外加電壓可以讓光致電子向電極方向移動,h+能更好地與電子分離,可以延長h+的使用壽命,避免光致e--h+對發(fā)生迅速的結(jié)合,喪失其相應(yīng)的氧化還原能力,從而大大提高降解效率[16]。而且PEC技術(shù)不同于PC技術(shù),在缺氧或者無氧的條件下也可以進行氧化反應(yīng),這種情況下光生電子會在陰極和H+反應(yīng)產(chǎn)生H2,因而PEC反應(yīng)技術(shù)在制氫方面也有一定的可用之處。

隨著生活質(zhì)量的提高,人們對室內(nèi)裝修的追求越來越高,木板材料的使用量越來越多,帶來的室內(nèi)HCHO污染越來越嚴重,對人體的健康威脅也就越來越大,因此室內(nèi)HCHO的降解十分重要。本文總結(jié)綜述了PC降解HCHO,EC降解HCHO,PEC降解HCHO的發(fā)展、工藝以及機理,并根據(jù)日后降解HCHO的形勢提出了獨特的見解與展望,以期相關(guān)工藝在未來室內(nèi)空氣HCHO降解上能夠得到廣泛使用,從而降低室內(nèi)HCHO濃度,保障人體健康。

2 室內(nèi)HCHO的來源和危害

2.1 室內(nèi)HCHO的來源

在日常生活中,我們周圍往往充滿了HCHO,新家裝修伴隨著HCHO分子的釋放,室內(nèi)部分日常生活用品(化妝品、清潔劑、殺蟲劑等)、大部分的裝修材料或多或少都會釋放HCHO,例如油漆粉飾墻、木材家具家電、室內(nèi)裝飾紡織品,煙草以及燃料燃燒等等[17-20](圖1)。釋放出的HCHO已被世界衛(wèi)生組織定義為致癌致畸變物質(zhì),是目前公認的變態(tài)反應(yīng)源[21],嚴重危害人體健康。通常情況下,室內(nèi)建筑裝修材料和家具中的HCHO,釋放周期可長達3～15年。有專家統(tǒng)計了全國各地室內(nèi)HCHO調(diào)查資料[22],結(jié)論顯示在2002～2012年,在我國城市中無論是新裝修住房還是辦公樓,HCHO的平均濃度已經(jīng)超過或接近超過國家標準的一倍,而國外城市的室內(nèi)HCHO平均濃度普遍低于0.1 mg/m3。

圖1 室內(nèi)HCHO來源

室內(nèi)HCHO主要來源于裝修材料的釋放,為節(jié)省成本,原料制作過程中普遍會用到膠合劑,這種膠合劑的主要成分為富含HCHO的脲醛樹脂。脲醛樹脂是一定比例的尿素和HCHO在一定條件下進行反應(yīng)產(chǎn)生的脲醛樹脂膠合劑[23],這個反應(yīng)不能完全進行,一定條件下可逆,正常情況下會通過增大HCHO的使用量促進反應(yīng)進程,保證脲醛樹脂的穩(wěn)定性(相關(guān)反應(yīng)式如下所示),當溫度升高或放置時間過長時,過量的HCHO以及由逆向反應(yīng)生成的HCHO會被釋放而污染室內(nèi)空氣。

nH2N-CO-NH2+nHCHOH-[-NH-CO-NH-CH2-]n-OH+(n-1)H2O。

(1)

尿素 甲醛 脲醛樹脂

20世紀70～80年代,發(fā)達國家曾大量使用脲醛樹脂作為建筑和裝修材料,面臨過嚴重的室內(nèi)HCHO污染現(xiàn)象。但他們早早發(fā)現(xiàn)了HCHO的危害,并逐步解決室內(nèi)HCHO問題,例如禁止使用脲醛樹脂作為建筑隔熱材料,同時使用環(huán)保型黏合劑替代HCHO合成樹脂,目前這些舉措的實行,讓歐美一些發(fā)達國家極少出現(xiàn)室內(nèi)和車內(nèi)富含HCHO等有害化學污染物的問題。然而我國國內(nèi),目前行業(yè)標準剛起步不久,監(jiān)管力度有待提高。

2.2 室內(nèi)HCHO的危害

生產(chǎn)生活當中難以避免會接觸HCHO,在室外污染大氣中,在剛裝修好涂滿油漆的室內(nèi)環(huán)境中,都會受到一定的危害,而HCHO對人體的危害一般體現(xiàn)在刺激、過敏和病變?nèi)N程度[24]。2004年,26位來自10個不同國家科學家組成一個研究小組,受國際癌癥研究所(IARC)的邀請,對HCHO危害進行深度調(diào)研,得出了HCHO是致癌致畸變重要污染物的結(jié)論;2010年,HCHO被美國環(huán)保署(EPA)認為是一種公認的人類白血病致病原;2011年,HCHO由美國國家衛(wèi)生研究所(NIH)研究宣布為人類白血病的致病因素。

21世紀,HCHO已經(jīng)是公認的致癌物質(zhì),長期吸入不同濃度的HCHO會引發(fā)不同的癥狀,比如鼻咽癌等,對人體神經(jīng)系統(tǒng),免疫系統(tǒng)也會造成不同程度的傷害,不同濃度的HCHO對人體會有不一樣的反應(yīng),如表2所示[25]。

表2 不同HCHO濃度下人體作出的反應(yīng)、質(zhì)量標準及相關(guān)建議

3 HCHO降解工藝

HCHO早就被世界衛(wèi)生組織列為室內(nèi)主要污染氣體之一。近年來中國室內(nèi)HCHO污染狀況令人堪憂,室內(nèi)HCHO降解迫在眉睫[19]。目前,PC降解HCHO、EC降解HCHO、PEC降解HCHO等領(lǐng)域逐步發(fā)展并有一定的成果,不同領(lǐng)域之間有著一定的共通點,都是借助不同的活性粒子將HCHO降解,最終氧化成二氧化碳和水。在前人的不斷嘗試下,室內(nèi)HCHO降解工藝已經(jīng)有了一些相對成熟的材料且有著不錯的降解效果,如圖2所示。

圖2 HCHO降解工藝分類

3.1 PC降解HCHO工藝

太陽光是人類生存不可或缺的一部分,能源儲量豐富,可用性高且干凈安全,具有十分重大的研究意義。PC反應(yīng)技術(shù)可以直接利用太陽能,用于催化產(chǎn)氫、降解污染物等等。近幾十年P(guān)C反應(yīng)技術(shù)在降解室內(nèi)HCHO方面取得了很大的進展,PC催化劑是PC反應(yīng)技術(shù)的主要部分,光利用率以及催化劑的量子效率對降解效果有很大的影響。PC降解室內(nèi)HCHO工藝的材料主要有以TiO2為代表的光觸媒和g-C3N4半導體材料,主要將PC催化劑通過負載或摻雜形成復合材料對HCHO進行降解[26]。

PC工藝主要應(yīng)用在三個方面:PC制氫,PC CO2還原,PC降解污染物等。其中PC降解HCHO污染物是指利用光照將HCHO分子吸附到PC催化劑上,在催化劑上的光生e--h+及表面產(chǎn)生的羥基自由基(·OH)作用下發(fā)生反應(yīng),凈化氧化成CO2和H2O的過程[27]。

Han等人[28]制備的噴劑聚酯纖維負載TiO2用于降解HCHO,采用的是多相PC氧化技術(shù),可以有效地將PC催化劑固定在聚酯纖維過濾器上。反應(yīng)機理如圖3(a)和以下反應(yīng)所示:

TiO2+hυ→e-+h+(高溫復合),

(2)

在價帶上:

h++OH-/H2O→·OH+H+,

(3)

在導帶上:

(4)

(5)

HO2+O2·-+H+→H2O2+O2。

(6)

Shirashi等人[31]在經(jīng)過加熱的空氣和過氧化氫水溶液中用TiO2薄膜分解HCHO的實驗中,分別進行了低濃度(0.65～1.3 mg/m3)和高濃度(4.0～24 mg/m3)的HCHO降解的實驗,實驗結(jié)果表明TiO2薄膜在玻璃管內(nèi)保持100 ℃干燥30 min的氛圍下具有相對更好的降解HCHO效果。

Wu等人[32]用水熱法合成了二維的BiOBr/BiPO4片材的p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,用于PC降解HCHO的實驗,150 mg/m3的HCHO填充在反應(yīng)器中,并用7 W的LED燈模擬太陽光,在2 h內(nèi),p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)的BiOBr/BiPO4可完全降解HCHO,如圖3(d)所示。

Zhu等人[33]用Au/TiO2PC降解HCHO,結(jié)果表明了水條件的不可或缺。在可見光下相對濕度為13%的反應(yīng)速率是黑暗中的5倍;在濕度為44%時,HCHO的轉(zhuǎn)化率為83.3%,在干燥空氣中催化劑完全失活,對HCHO失去了降解效果,如圖3(e)所示。

此外,Wang等人[34]用計算流體動力學(CFD)模擬了蜂窩型整體反應(yīng)器中的HCHO PC降解,如圖4所示,這些燈光照射著房間整塊石墻的正面和背面,管道中流動的空氣被迫通過整塊石通道,這些通道涂有活性二氧化鈦PC催化劑。大多數(shù)的蜂窩反應(yīng)器建模研究只考慮了不涉及燈輻射的熱催化反應(yīng)[35]。這項工作的重點是使用CFD建模方法在整體式反應(yīng)器中PC降解HCHO。首先,采用了蒙特卡羅方法模擬了整塊體單個通道中的光分布,并根據(jù)模擬結(jié)果估算了通道壁的吸收系數(shù)。其次,在中試規(guī)模的蜂窩整體式反應(yīng)器上進行了CFD模擬HCHO的光降解。從轉(zhuǎn)化率的角度對模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行了比較,以驗證該方法的有效性。再次,基于本研究中使用的建模方法,研究了水蒸氣水平對預期用途(如辦公樓和商用飛機中的空氣凈化)反應(yīng)堆性能的影響。最后,對這種整體式PC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。該研究為今后PC降解HCHO提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

圖4 二氧化鈦涂層蜂窩型整體式反應(yīng)器[34]

3.2 EC降解HCHO工藝

在大自然中,各種復雜的物理化學作用會產(chǎn)生HCHO,比如火山噴發(fā)、秸稈焚燒、動植物和微生物的生長代謝等等,通過大氣循環(huán)都會進入室內(nèi)環(huán)境[36]。在人體生長代謝時也會存在濃度較低的HCHO。HCHO是一種可溶于水并且在空氣中也能很快被降解掉的氣體,但是HCHO具有毒性強的特點,它不僅能讓免疫系統(tǒng)受損,還能導致發(fā)育不良甚至引發(fā)癌癥等疾病,因此,無毒無害的甲醇、甲酸等小分子用于EC的應(yīng)用比較多,而有毒的HCHO用于EC降解的研究相比于其他有機小分子就比較少。但是,從工業(yè)催化應(yīng)用上來說,HCHO是甲醇工業(yè)上氧化的第一產(chǎn)物,仍然具有十分重要的研究意義,而且目前室內(nèi)HCHO污染有擴大趨勢,迫切需要HCHO降解。

燃料電池應(yīng)用于EC降解HCHO的研究越來越多[37]。Mohammad Hasanzadeh等人[38]以銅電極在堿性溶液中進行了EC氧化HCHO研究,證明了EC HCHO在銅電極上的過程需要Cu自身的氧化還原反應(yīng)參與,還研究了基于電化學生成Cu活性位點及其隨后被相關(guān)HCHO消耗的新機制。HCHO在堿性溶液體系中在銅電極上的氧化機理如下式所示

Cu+(HCHO)sol→Cu(HCHO)ads,

(7)

(8)

(9)

(10)

Cu(CHO)ads+Cu(OH)ads→2Cu+CO2+2H++2e-,

(11)

(12)

(13)

Cu(CO)ads+Cu(OH)ads→Cu+Cu(COOH)ads,

(14)

Cu(COOH)ads→Cu+CO2+H++e-。

(15)

此外,在HCHO氧化的測量過程中,在相當高的電位下很容易觀察到二氧化碳的釋放[39],法拉第產(chǎn)率實驗在收集放出的CO2的恒定電流下進行。根據(jù)收集的氣體量,估計直接氧化成CO2的HCHO量少于5%。HCHO在銅電極上氧化的最終產(chǎn)物是HCOO-,而大塊銅電極的產(chǎn)物之一除了HCOO-以外是CO。

Sathe等人[40]通過電置換反應(yīng)制備了形狀多變的銠(Rh)納米材料,在堿性條件下研究了Rh對HCHO的EC效果,并應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域。與此同時提出電置換方法在未來有望用于制備許多其他類似的EC催化劑(Pt、Au和Pd等)。制備的所有結(jié)構(gòu)都對HCHO氧化具有一定的EC活性,因為裸玻碳(GC)電極和Rh/GC上的氧化速率遠低于Rh納米結(jié)構(gòu)/GC電極上的氧化速率。在Rh納米結(jié)構(gòu)和不使用Rh作為EC催化劑的情況下,反應(yīng)的峰值電流密度分別為0.52和0.22 mA/cm2。Rh納米結(jié)構(gòu)的活性提高可能是由于其高比表面積或高擇優(yōu)晶面。此外,這些Rh納米結(jié)構(gòu)具有各向異性的形態(tài),可以提高EC反應(yīng)的質(zhì)量傳輸和催化劑利用率,對其電化學性能的更詳細研究正在進行中。

Park等人[41]研究比較了碳載Pt納米復合材料對小分子甲醇、甲酸、HCHO EC過程中不同納米顆粒尺寸的敏感性,以及相應(yīng)的EC氧化的活性,EC順序如圖5所示,發(fā)現(xiàn)期望狀態(tài)下的HCHO降解的最終產(chǎn)物是CO2。

圖5 碳載Pt納米復合材料對不同小分子的EC順序圖

貴金屬催化降解HCHO工藝和PC降解工藝的目的都是將HCHO氧化分解成CO2和H2O;不同之處在于貴金屬不是借助太陽光,而是直接降低HCHO和空氣中的O2反應(yīng)的活化能,室溫條件下就能在催化劑表面促進HCHO和O2發(fā)生氧化反應(yīng),常見的貴金屬有金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)、銠(Rh)、釕(Ru)等[42]。目前,Pt、Pd和Rh等貴金屬以及Cu電極材料用于HCHO的EC降解的研究較多,也提出了相應(yīng)的反應(yīng)機理,并且得到了業(yè)內(nèi)的肯定。可是由于貴金屬電極特別稀有,價格高昂,根本無法滿足未來工業(yè)的需求。而金屬Ag資源相對豐富,價格也低廉,相對于Pt,Pd和Rh等貴金屬來說更適合用作電極材料應(yīng)用于燃料電池。

非貴金屬催化劑近些年用于HCHO催化氧化反應(yīng)愈發(fā)廣泛,其中,過渡金屬氧化物由于其存在h+和未成對電子,外層電子易在不同能級之間躍遷從而表現(xiàn)出一定的氧化還原特性,理所當然成為了當前用于催化氧化HCHO研究的熱點。非貴金屬主要包括單一金屬氧化物和復合金屬氧化物。

圓柱形活性焦(AC)是一種碳質(zhì)材料,不僅對活性炭具有親和力,具有多種表面官能團和可調(diào)的多孔結(jié)構(gòu),而且由于其機械強度更高、再生性能更好、成本低于活性炭,在實際工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)越性。Du等人[43]通過浸漬法將AC和氧化鋯、錳鈷氧化物復合制備出MnxCoy/Zrz-AC用來同時去除HCHO和元素汞。其中,最佳Mn2/3Co8/Zr10-AC在240 ℃下分別達到99.87%的HCHO去除率和82.41%的元素Hg去除率。隨著表面積和孔體積的增加,Zr-AC載體促進了MnOx-CoOx的更高分散。此外,MnOx-CoOx的共摻雜賦予樣品更多的活性氧和更高的還原性,進一步促進了HCHO和元素Hg的去除?；瘜W吸附被證明在元素Hg去除中占主導地位,并且氧化也起作用,因為在出口氣體中檢測到Hg2+。此外,HCHO在活性氧的競爭中占主導地位,尤其是對晶格氧的競爭,從而抑制了元素Hg的去除[44]。HCHO的去除過程為HCHOads→中間體DOM→甲酸鹽→CO2+H2O,其中,活性氧起促進作用。

3.3 PEC降解HCHO工藝

光電化學反應(yīng)是指在光輻照與電解液接觸的半導體表面所產(chǎn)生的光生e--h+對被半導體/電解液結(jié)合的電場所分離后,與溶液中離子進行的氧化還原反應(yīng)。PEC氧化技術(shù)能有效降解VOCs氣體并且二次污染少,操作簡單。其核心部件是電極材料,電極材料決定了降解速率和電流密度[45]。電化學處理方法主要分為兩類,一是污染物分子擴散到陽極表面直接被氧化或還原,二是反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高活性氧化物種或者還原物種從而達到降解污染物的目的。PEC反應(yīng)技術(shù)借助EC反應(yīng)過程,引入電場從而達到降解污染物的目的,在相應(yīng)的PC過程中便能夠抑制光生e--h+的快速結(jié)合,延長h+的壽命,增強降解污染物的性能,其基本反應(yīng)裝置如圖6(a)所示。

圖6 (a) PEC基本反應(yīng)裝置圖;(b) Bi2O2CO3復合納米催化劑用于PEC降解CH3CHO原理[46];(c) Pt/TiO2-ZnO PEC降解HCHO反應(yīng)機理[47];(d) Fe2O3復合TiO2 PEC催化劑去除HCHO的PEC反應(yīng)系統(tǒng)示意圖[49];(e) 整個PEC降解HCHO的TiO2/Cu2O能帶示意圖[50]

Zhang等人[46]研究了PEC對CH3CHO的降解,如圖6(b)所示,成功利用溶劑熱方法合成了Bi2O2CO3復合納米催化劑,為未來同類型的HCHO降解提供了理論依據(jù)。0.5%的Bi2O2(OH)(NO3)@PCN表現(xiàn)出對CH3CHO最佳的降解性能,將125 mL CH3CHO和空氣的混合氣注入真空袋進行PEC反應(yīng),結(jié)果顯示,CH3CHO在24 h的光照下被完全氧化。

(16)

EC:H2O+TiO2-ZnO(h+)→TiO2-ZnO+H++·OH;·OH+HCHO→CO2+H2O,

(17)

(18)

(19)

Dong等人[49]合成了Fe2O3/TiO2復合納米催化劑,通過直接施加偶極動量的密度泛函理論(DFT)和PEC實驗研究了電場對·OH產(chǎn)生的影響。PEC反應(yīng)系統(tǒng)由HCHO生成系統(tǒng)、反應(yīng)器和在線檢測器組成,如圖6(d)所示。兩塊由不銹鋼制成的圓形編織網(wǎng)不僅用作催化劑涂層玻璃纖維的支架,還用作正極和負極,并與其設(shè)計的直流(DC)電壓輸出裝置連接。光生電子從Fe2O3的導帶轉(zhuǎn)移到TiO2的導帶,而h+從TiO2的價帶轉(zhuǎn)移到Fe2O3,因此,Fe2O3/TiO2有利于分離光生e--h+對,提高了HCHO去除效率。

Wang等人[50]研究了一種具有雙面半導體光電極的燃料電池裝置,該燃料電池裝置中TiO2納米棒作為HCHO氧化的光陽極,Cu2O作為光陰極參與氧還原反應(yīng),并且建立了與光電化學反應(yīng)相關(guān)的光電極能帶圖,給出了整個電荷的轉(zhuǎn)移狀況〔圖6(e)〕。光陽極和光陰極聯(lián)合的燃料電池不僅利用化學能,還充分利用了太陽能,為日后新型非貴金屬PC燃料電池的發(fā)展開拓了新道路,并提出了一種基于能帶理論的思路,從而通過PEC氧化還原反應(yīng)提高燃料電池效率的方法。

此外,Feng等人[51]通過將摩擦起電納米發(fā)電機(TENG)和PC技術(shù)相結(jié)合,展示了一種用于去除室內(nèi)空氣污染物的自供電過濾方法〔圖7(a)〕。TENG作為一種能量產(chǎn)生單元,在電路內(nèi)部,由于摩擦起電效應(yīng),兩個摩擦電極性不同的摩擦材料薄層間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移形成一個電勢差;在電路外部,電子在電勢差的驅(qū)動下在兩個分別粘貼在摩擦材料背面的電極之間或者電極與地之間的流動來平衡電勢差。TENG可以直接用于為電池充電、點亮LED或驅(qū)動機電設(shè)備。除此之外,基于摩擦誘導的高靜電場的靜電吸收效應(yīng),TENG還可以用作過濾裝置,以去除空氣中的污染物顆粒(PM2.5)[52]。但是,自供電吸收只能收集PM·,無法對污染物進行化學降解,這對于室內(nèi)空氣凈化是遠遠不夠的。另一方面,PC是解決環(huán)境問題的強大技術(shù),包括降解水和氣體污染物。用于制造TENG的材料相當多樣化,PC材料可以比較自然地集成到TENG設(shè)備當中。由此,TENG技術(shù)和PC技術(shù)的結(jié)合將開發(fā)一種改進的自供電過濾方法,能夠有效去除并降解室內(nèi)空氣中的VOCs,特別是HCHO。Feng等人[51]對比了有無單電極摩擦電納米發(fā)電機(SE-TENG)光吸收強度隨時間的變化〔圖7(b)〕以及HCHO濃度隨時間的變化(圖7(c)),發(fā)現(xiàn)TENG可以增強PC降解HCHO的效率,說明在PC基礎(chǔ)上,加入EC設(shè)備有機會增強降解效率。

4 總結(jié)和展望

通過收集文獻對HCHO的降解進行了分類和歸納,闡述了室內(nèi)HCHO由大氣環(huán)境中室外傳播和室內(nèi)擴散的來源以及危害,對歷年針對HCHO的不同降解工藝、發(fā)展以及機理進行總結(jié)。(1) PC降解HCHO的研究較多,具有代表性的TiO2、g-C3N4半導體材料通過不同方式的改性進行室內(nèi)HCHO的降解,但PC催化劑一般需要紫外光照射,在夜間無光照或室內(nèi)光照不足時,HCHO氣體分解不徹底。(2) EC降解HCHO探究不同電極對室內(nèi)HCHO降解的差異主要集中在Pt、Pd和Rh等貴金屬電極材料和Cu、Ag電極材料,價格較昂貴。(3) PEC降解HCHO在PC基礎(chǔ)上引入外加電場來抑制光生e--h+對的復合來提高HCHO的降解率。

基于上述的總結(jié),我們進行了展望:(1) PC技術(shù)在多相催化降解HCHO的研究機理上比較復雜,未來應(yīng)該集中在研究機理研究上;各種新興的半導體材料以及催化劑的負載,分離問題有待發(fā)展,PC催化劑的光響應(yīng)范圍和量子效率的提高以及新型催化劑的制備也是未來開發(fā)的一個大方向,對PC催化劑的良好改性使其對可見光達到比較好的吸收效果,從而實現(xiàn)對HCHO更徹底的降解,提高降解效率。(2) 貴金屬EC降解HCHO效果優(yōu)良但價格昂貴,開發(fā)非金屬催化氧化降解HCHO有很大的研究空間。(3) PEC降解HCHO技術(shù)效果良好,但是實用性偏低,室內(nèi)HCHO降解用途相對比較少,在實際應(yīng)用中還有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圍繞以上關(guān)鍵問題開展探索研究,不僅在各大降解室內(nèi)HCHO工藝上能有所建樹,在其他污染物降解問題上也會有幫助,有利于PC技術(shù),EC技術(shù)以及PEC技術(shù)在真正的環(huán)境保護、材料制備等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。