纳米tio复合光催化剂光催化降解甲基橙

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1、纳米TiO2复合光催化剂光催化降解甲基橙本科毕业论文1引言共25页环境污染是全世界都在关注的焦点问题。世界上每年会产生大量的有毒固体和液体废物，其中相当大的一部分渗透到土地里，染污了地下水和表面水。科学家们已经发展出物理、化学、生物化学等方法来消除这些有害物质，但这些方法投入大、处理周期长，降解率低，特别是对非生物降解的有毒、有害物质如二恶英等无能为力。相对廉价的TiO2光催化剂在紫外光的照射下就能去除这些污染物，且不会产生有毒的副产物，因此对它的研究一开始就受到科学家们的高度重视，一些科学家将这

2、一研究称为“阳光工程”，“光洁净革命”[1~3]。然而,TiO2只有在紫外光的激发下才能表现光催化活性。紫外光发射装置构造复杂，耗电量大，运行成本高，影响了二氧化钛光催化氧化技术在实际工程中的大规模应用[4]。太阳光是一种清洁能源。如果多相光催化技术可以以太阳光为驱动力，无疑具有强大的工程潜力。但太阳光中紫外光的含量只占3%~5%，因此TiO2直接利用太阳光进行光催化的效率较低。为了改善TiO2对太阳光的利用能力,许多科学家和实验室都做了大量的研究。新型纳米TiO2复合材料，能够提高光催化效率，并

3、将可利用的光谱范围由紫外光增至可见光区，更有效地利用太阳光进行环境污染治理或太阳能电池等方面[5]。1.1纳米TiO2光催化反应的机理光催化技术采用n型半导体材料为催化剂，n型半导体具有特殊的能带结构，包括一个充满电子的低能价带、一个空的高能导带以及它们之间的禁带。当用能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射催化剂时，其价带上的电子(e_)被激发，跃过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴(h+)，从而形成具有高度活性的光生电子—空穴对。光生空穴本身具有很强的氧化能力，若以氢作为标准电位，其氧化电位

4、可以达到+3.0V，可见光生空穴的氧化能力远大于一般的氧化剂，它能够直接氧化有机物[5]。颗粒表面或溶液中那些原本不吸收入射光的有机物，将其氧化为自由基离子。电子受体亦可以通过俘获表面上的光生电子而被还原。Linsebigler等[6]认为多相光催化降解有机物时，O2和H2O都是必需的。在气固光催化过程中，O2起主要作用(氧化剂·O2,O2-)在液固光催化过程中，H2O起主要作用(氧化剂为·OH，·O2H)。光催化氧化反应发生在水溶液中，俘获光生空穴的主要是催化剂表面的水分子和OH-，经过一系列反

5、应生成氢氧基自由基(·OH)或者·HO2等强氧化剂。俘获光生电子本科毕业论文共25页的主要是催化剂表面的溶解氧，产生高度还原活性的超氧负离子O-2，随后与有机物分子、吸附的中间产物反应或质子化作用，作为心·OH的另一种来源。反应可以作如下表示:TiO2→e-+h+h++H2O→·OH+H+O2+e-→O2-+H+→·HO2H++e-+·HO2→H2O2H2O2+e-→·OH+OH-h++OH-→·OH反应后生成的·OH氧化能力极强，除了氟以外，是水中存在的氧化能力最强的氧化剂，选择性极强，几乎可以

6、将所有的有机物完全氧化为CO2和H2O。1.2纳米TiO2光催化剂在环境保护中的应用1.2.1气体净化与抗菌随着大气污染的加剧和室内装璜、空调的普及使用，室内空气污染已不可忽视[7]。光催化技术可直接利用空气中的氧气作氧化剂，且反应条件温和(常温、常压)，是一种非常便利、高效、无二次污染的空气净化技术。纳米TiO2光催化剂在光照下激活后产生电子—空穴对，并与其表面吸附的O2和OH-作用生成超氧化物阴离子自由基·O2和氢氧基自由基·OH，新生成的这两种自由基非常活泼，当遇到细菌时直接攻击细菌的细胞，

7、起到抑制和杀灭微生物的作用，同时还可消除恶臭异味。日本在这方面的研究较早，已开发生产具有杀菌能力的陶瓷用品，这种陶瓷的抗菌持久性好、并且耐酸和耐碱性好，已广泛应用于医院、宾馆等公共场所[8]。1.2.2污水处理随着工业的发展，人类本已有限的水资源受到日益严重的污染，水体中大量有毒有害化学物质，如卤代烃、农药、染料、表面活性剂等对人类的生存环境造成了严重的危害。用纳米TiO2光催化处理含有机污染物的废水被认为是最有前途、最有效的处理手段之一，其方法简单，在常温常压下，即可分解水中的有机污染物，而且没

8、有二次污染，费用不太高。至今已知，该方法能处理80余种有毒化合物，可以将水中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、染料、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、表面活性剂、农药等，有效的进行光催化反应除毒、脱色、矿化、分解为CO2和本科毕业论文共25页H2O，最终消除对环境的污染。特别是对一些难降解的有机物效果明显，例如阿特拉津。阿特拉津是目前应用最为广泛的化学除草剂之一，生产或使用不当会造成当地地表水和地下水中阿特拉津的残物。霍爱群，谭欣等用纳米TiO2膜光催化成功地降