《论文_新材料制备 TiO2光催化 降解机理研究(定稿)》.doc

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1、Ti02光催化降解机理研究黄培止S20126069钢恢研究总院摘要：以二氧化钛为代表的光催化能使许多有毒的有机污染物发生降解或矿化，产生易被生物降解的小分子和二氧化碳，过程涉及疑基自由基等活性物种。木文综述了TiO?光催化的机理。关键词:Ti02光催化一概述自TiO?单晶电极光分解水被发现以来，多相光催化反应引起人们的浓厚兴趣，科学家们对此进行大量的研究，探索该过程的原理，致力提高光催化效率［1—6］。冃前，在多相光催化反丿应所使用的半导体催化剂中,TiO?以其无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好最为常用。但由TTiO2的带隙较宽（约3.2eV）,能利用的太阳能仅占总太阳光强的大约3%o为

2、了提高对太阳能的利用率，并积极改善催化效率，人们已进行了大量的研究工作。利用半导体光催化作用可有效地降解和消除有害污染物。近年來，半导体多相光催化作为一项新的污染治理技术，口益受到重视。大量研究证实，染料、表面活性剂、有机卤化物、农药、油类、氟化物等都能有效地进行光催化反应,脱色、去毒，矿化为无机小分子物质，从而消除对环境的污染。本文就TiO?光催化机理进行探讨。-Ti02光催化机理1.光催化反应过程半导体粒子具有能带结构,一般由填满电子的低能价带(valenceband,VB)和空的高能导带(conductionband,CB)构成，价带和导带Z间存在禁带。当用能量等于或大于禁带宽度(也称

3、带隙,Eg)的光照射半导体吋,价带上的电子@-)被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴(h+),并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体颗粒表而被吸附物质或溶剂中的电子，使原木不吸收光的物质被活化氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。光催化机理可用下式说明：Ti02+H20_e-+h+h卄H20->•OH+H+h++OH—>•OH02+e-f•02-•02-+H+-H02•2H02•-02+H202II202+02—>•Oil+0II-+02疑基自由基是光催化反应的一种主要活性物质,对光催化氧化起决定作用，吸附于催化剂表而的氧及水合悬浮

4、液中的OH-、H20等均可产生该物质。氧化作用既可以通过表面键合径基的间接氧化，即粒子表面捕获的空穴氧化;乂可在粒子内部或颗粒表面经价带空穴直接氧化；或同吋起作用，视具体情况有所不同[10,11]。表面吸附分子氧的存在会影响光催化速率和量子产率。其它形式的光催化反应还包括异构化、取代、缩合、聚合等，但冃前研究和应用较多的是氧化还原反应。2能带位置半导体的光吸收阈值入g与带隙Eg有关，其关系式为：入g（nm）=1240/Eg（eV）常用宽带隙半导体吸收波长阈值大都在紫外光区，应用最多的锐钛矿型T102在pH为1时的带隙为3.2eV,光催化所需入射光最大波长为387nmo半导体的能带位置及被吸附

5、物质的还原电势,决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低（更正）；给体电势比半导体价带电势高（更负），才能供电子给空穴。3.电子、空穴的捕获光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径,其中最主耍的是捕获和复合两个相互竞争的过程。对光催化反应来说，光生空穴的捕获并与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴捕获剂，分离的电子和空穴可在半导体粒子内部或表面复合并放出热能。选用适当的表面空位或捕获剂捕获空位或电子可使复合过程受抑制。如果将有关电子受体或给体（捕获剂）预先吸附在催化剂表而，界而电子传递和被捕获过程就会更有效，更具竞争力。由电

6、子、空穴的电荷分离机理可知，为提高TiO2的光催化效率需着重考虑以下两点：提高光生电子、空穴电荷的分离效率及提高光生活性物种，特别是电子的消耗速率。三影响光催化反应的因素和提高光催化活性的途径多相光催化反应由一系列复杂的表面化学物理过程构成，催化剂的组成、晶体结构、粒径、比表面积、表面径基、处理温度、外场等綁对其可能产生影响。围绕这些影响因索已经作了大量详实的研究工作，并取得了许多共识。3.1催化剂结构对光催化活性的影响3.1.1晶相结构的影响：①晶型•常用的TiO2光化剂有两种晶型:锐钛矿型和金红石型。由于两者的单位晶胞的八面体畸变程度和八面体间相互联接的方式不同[25],与金红石型（禁带

7、宽度为3.0eV）相比，锐钛矿型二氣化钛（禁带宽度为3.2eV）表而。态活性中心较多，所以光催化活性更高。近年一些研究表明，通过在锐钛矿型晶体的表面生长薄的金红石型结晶层，能有效地促进锐钛矿型晶体中电子与空穴的电荷分离，形成高催化活性的光催化剂[7].②晶格缺陷.研究表明，晶格缺陷是光催化反应中的活性位•例如，在晶体表面的Ti3+-V（空位）缺陷是反应中将H20氧化为HO过程的活性中心•缺陷点的Ti3-Ti3