纳米材料在光催化净化空气领域中的应用

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1、纳米材料在净化空气领域中的应用摘..要:介绍了纳米半导体材料的光催化机理,净化空气的优点和国内外相关产品开发、应用的情况。对实验过程中影响光催化效率的因素及提高光催化能力的途径作了概述。关键词:纳米半导体材料;光催化;空气净化空气净化材料的开发与研究。....光催化特性是纳米半导体材料的重要特性之一,这一性质在环境领域中的应用已有20余年的历史。具有光催化活性的光触媒材料很多,多为n型半导体氧化物,其中,二氧化钛(TiO2)因具有高化学稳定性、耐热佳、成本低且无毒等特点,成为近年来研究应用的焦点。光催化技术的应用范围十分广泛,可用于污染水处理、空气净化、太阳能利

2、用、抗菌防雾和自清洁功能等。1..纳米光催化反应原理半导体光催化剂大多是硫族化合物半导体,如TiO2、CdS等都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带(ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式..=1240/Eg(eV)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)。此时吸附

3、在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子(..O-2),而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基(..OH)。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解[21],特别是在废水、废气的净化,杀菌除臭等方面已有大量文献报道[9-13]。2..影响光催化效果的因素以TiO2为代表的光催化剂在使用过程中,光催化活性会受到很多因素的影响,下面对这些实验过程中的影响因素作一简要概述。2..1光催化材料的选择硫族半导体化合物材料有TiO2,ZnO,ZnS,CdS及PbS等,若考虑

4、到腐蚀安全及成本等因素,以TiO2,ZnO的实用性较好,其中又以TiO2的使用最为普遍。二氧化钛有3种晶型:锐钛矿型(Anatase)、金红石型(Rutile)和板钛型(Brookite),其中具有光催化功能的主要是锐钛矿型和金红石型,而且锐钛矿型的光催化活性较高。近年来,研究发现锐钛矿与金红石的混晶具有更高的活性。原因在于,锐钛矿晶体表面生长了薄的金红石结晶层,由于晶体结构的不同,能有效地促进锐钛矿晶体中的光生电子和空穴电荷分离(混晶效应)。Anpo[8]研究了粒径与光催化量子产率的关系后指出,随着粒径减小,量子产率提高,光吸收边界蓝移,尤其当粒径小于10nm

5、时,量子产率得到迅速提高。2..2催化剂量催化剂的使用量会直接或间接影响到光催化效果。催化剂量太少,光量子产率太低,光催化速度会很慢。催化剂使用量太大,则纳米颗粒的分散会比较困难,粒子易团聚,从而失去光催化活性。同时催化剂本身对紫外线也会发生竞争吸收的作用,光催化效果反而不好。2..3光源与光强利用能带结构模型计算的二氧化钛晶体的禁带宽度Eg为3.0eV(金红石)和3.2eV(锐钛矿),其光吸收值..g与禁带宽度Eg可用关系式表示:..g(nm)=1240/Eg(eV)。由此可看出,金红石型光催化所需光的最大波长为413nm,锐钛矿型为387nm。而由光电压谱分

6、析表明,由于二氧化钛表面杂质和晶格缺陷的影响,它在一个较大的波长范围里均有光催化活性。因此,这在对光源的选择上就比较灵活,如:黑光灯、高压汞灯、低压汞灯、紫外灯、杀菌灯等均可用作光源,波长一般在250~400nm范围内。Bahanemann[15]等在研究光催化降解三氯甲烷的反应时发现,降解速度与光强的平方根存在线性关系。而当光强大到一定值时,光催化没有效果,说明光强过强时,可能存在中间产物在催化剂表面的竞争性复合的现象。2.4..pH值光催化氧化反应有较高速率,在低pH值和高pH值时都可能出现,pH值的变化对不同反应物降解的影响也不同,且与光强大小有一定关系。

7、另外,pH值的大小对分散剂的分散性能有较大的影响。..2..5..反应物浓度二氧化钛光催化氧化反应速率可用Langmuir-Hinshel..wood动力学方程式来描述:r=kKC1+KC式中..r%%%反应速度;C%%%反应物浓度;K%%%表观吸附平衡常数;k%%%发生于光催化剂表面活性位置的表面反应速率常数。低浓度时KC1,r=kKC=K&C,即反应速率与反应浓度成正比。初始浓度越高,降解速率越大。由此看出,在某一高浓度范围内,反应速率与该反应物浓度无关;在中等浓度时,反应速率与反应物之间存在着复杂的关系。光降解动力学主要取决于半导体被光照产生空穴的难易程度

8、及污染物在TiO2表面上