非均相光催化氧化技术

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1、非均相光催化技术的发展概况1972年，Fujishima和Honda在半导体TiO2电极上发现了水的光催化分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。1977年，Yokota等发现在光照条件下,TiO2对丙烯环氧化具有光催化活性，从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新的思路。近三十多年来，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研究发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。TiO2光催化氧化原理图中所反映的机理涉及的基本的反应式表达如下：在光照下，如果光子的能量大于半导体禁带宽度，其价带上的电子（e-）就会被激发到导带上，同

2、时在价带上产生空穴（h+）。当存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子和空穴的复合得到抑制，就会在催化剂表面发生氧化-还原反应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，一般与表面吸附的H2O，O2反应生成•OH和超氧离子O2-，能够把各种有机物直接氧化成CO2、H2O等无机小分子，电子也具有强还原性，可以还原吸附在其表面的物质。激发态的导带电子和价带空穴能重新合并，并产生热能或其他形式散发掉。光催化的技术特征1.低温深度反应光催化氧化可以在室温下将水、空气和土壤中的有机污染物氧化。2.绿色能源光催化可利用太阳光作为能源来活化光催

3、化剂，驱动氧化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。3.氧化性强大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点，对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有机物具有特别意义。4.寿命长理论上，光催化剂的寿命是无限长的。5.广谱性光催化对从烃到羧酸的众多种类有机物都有氧化效果，美国环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光催化氧化法降解，即使对有机物如卤代烃、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般经过持续反应可达到完全净化。光催化剂（Photo

4、catalyst）光催化剂=光[Photo=Light]+催化剂[catalyst]光催化剂是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质。光催化剂是将光能转换成为化学反应的能量，产生催化作用，使周围水分子及氧气激发成极具氧化力的·OH及O2-。用其分解对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，加速反应，不造成资源浪费，且不形成附加污染。常见的光催化材料影响TiO2光催化性能的因素晶粒尺寸：纳米量级的TiO2作为光催化剂将有利于提高光降解效率——粒径的减小，纳米级光催化剂的表面原子数迅速增加，光吸收效率提高，从而增加表面光生载流子的浓度；——晶粒越小，

5、表面原子比例增大，表面·OH基团的数目也随之增加，从而提高了反应效率；——晶粒尺寸的减小，比表面积增大，有利于反应物的吸附，增大反应几率。晶型：板钛型，锐钛矿，金红石型——板钛型为不稳定的结构；——锐钛型吸收紫外线的能力强，其表面对O2的吸附能力较强，对电子-空穴对的捕收能力强，所以具有较高的光催化活性；——金红石型则因为结构稳定且致密，具有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，遮盖力和着色力也较高，但表面电子-空穴对重新复合的速度较快，光催化活性差。形态：颗粒状与膜状——颗粒状的光催化剂在溶液中呈悬浮状态，在溶液中与有机物的接触面积小，且容易发生团聚现象——膜状：

6、①防止粒子的流失；②增加光催化剂整体的比表面积；③光催化剂表面受到光照射的催化剂粒子数目增加，提高了光的利用率；④一些载体可同光催化剂本身发生相互作用，有利于电子-空穴对的分离；⑤利用吸附剂类载体可增加对反应物的吸附，提高催化剂的光催化活性，同时实现吸附剂类载体的再生；⑥用载体将光催化剂固定，便于制成各种形状的光催化反应器。影响TiO2光催化效率的因素（一）催化剂1.粒径大小从光催化机理来看，TiO2光催化氧化有机污染物实际上是一种自由基反应。从反应过程看，物质的降解速度与光生载流子e-和h+的浓度有关。TiO2粒径越小，表面原子增加，光吸收效率提高，而增加了表面

7、光生载流子的浓度。因此，纳米级的TiO2是一种高效的光催化剂。2.表面积表面积是决定反应物吸附量的重要因素。光催化反应是由光生e-和h+引起的氧化还原反应，在催化剂表面不存在固定的活性中心。因此表面积是决定反应基质吸附量的重要因素，在晶格缺陷等其它因素相同时，表面积越大，吸附量越大，活性越高。注：具有大表面积的TiO2往往存在更多的复合中心，当复合过程起主要作用时，就会降低的光催化活性。3.混晶效应目前的研究发现高光催化活性的TiO2多数为锐钛矿型与金红石型的混合物。混晶可以有效地促进锐钛矿型晶体中光生电子、空穴的电荷分离。（二）光源与光强TiO2表面杂质和晶格缺

8、陷使得Ti