TiO2光催化氧化技术.ppt

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1、第4章TiO2光催化氧化技术TiO2光催化氧化反应机理TiO2光催化剂制备方法提高TiO2光催化效率的途径目录TiO2光催化氧化法存在的问题TiO2光催化氧化的影响因素TiO2光催化氧化技术应用4.1概述4.1.1光催化氧化技术概述以TiO2为代表的光催化材料具有对人体无毒，能耗低，操作简单，反应条件温和，化学稳定性良好和光催化效率较高等特性，成为近年来日益受重视的环境污染治理技术之一。除了在净化水和空气方面的应用外，TiO2光催化在杀菌消毒、光解水、固氮、还原CO2等方面也具有广阔的应用前景。4

2、.1.1.1均相光催化氧化光降解反应包括无催化剂和有催化剂的光化学降解，后者称光催化降解。一般分为均相、非均相两种类型。均相光催化降解主要指UV/Fenton试剂法，即以Fe2+或Fe3+及H2O2为介质，通过光助-芬顿反应使污染物得到降解，此类反应能直接利用可见光。4.1.1.2非均相光催化降解在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定能量的光辐射，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子-空穴作用，产生·OH等氧化性极强的自由基，再通过与污

3、染物之间的羟基加合、取代等使污染物全部或接近全部矿化，最终产物为H2O和CO2及其他离子。1972年，日本的Fujishima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发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催化活性，拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新思路。此后，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。光催化技术的发展历史4.1.2光催化氧化技术应用

4、前景有毒废水通常采用氧化塘，地下储水池和垃圾场等手段处理。其结果是使土壤，地下水和地表水被污染。有毒有害有机物包括：挥发性有机物，氯代有机物，二噁英，三氯乙烯(TCE)，高氯酸乙烯(PCE)，CCl4，HCCl3，CH2Cl2，p-氯苯，六氯环五烷二烯为此，发展先进的分析化学，生物化学，物理化学技术消除大气，土壤，水中的有毒化学物质势在必行。常规污染物方法包括：高温焚烧，活化污泥处理，厌氧消化和一些常规物理化学处理。污染物的处理方法简介化学处理方法：1.化学氧化法：如，Fenton试剂和臭氧氧化法

5、。2.树脂吸附法：大孔吸附树脂具有大比表面、容易再生、能够回收有机物等优点。3.乳状液膜分离：综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的优点，特别适合于分离水溶液中呈溶解态的有机污染物。4.半导体光催化氧化法：利用光催化原理处理有机物，不仅可以直接利用太阳能，而且对有机物的处理比较彻底，不带来新的污染源4.2TiO2光催化氧化技术半导体材料在紫外及可见光照射下，将污染物短时间内完全降解或矿化成对环境无害的产物，或将光能转化为化学能，这一过程称为光催化。4.2.1TiO2光催化氧化反应机理半导体是指电导率在金

6、属电导率（约104~106Ω/cm)和电介质电导率（＜1-10Ω/cm)之间的物质，一般的它的禁带宽度Eg小于3eV。半导体的能带结构导带价带禁带Eg＜3eV掺杂半导体N型半导体（正电荷中心起提供电子的作用，依靠自由电子进行导电）P型半导体（负电荷中心起提供电子的作用，依靠空穴进行导电）半导体本征半导体（纯的半导体，不含有任何杂质，禁带中不存在半导体电子的状态,即缺陷能级)实际半导体中，由于半导体材料中不可避免地存在杂质和各类缺陷，使电子和空穴束缚在其周围，成为捕获电子和空穴的陷阱，产生局域化的电

7、子态，在禁带中引入相应电子态的能级。N型半导体的缺陷能级Ed靠近导带，P型半导体的Ea靠近价带。EcEdEv价带EcEaEv导带价带导带P型半导体的能级N型半导体的能级λg(nm)＝1240/Eg(eV)Eg=3.2eV,λg=387nm当半导体近表面区在受到能量大于其禁带宽度能量的光（hv）辐射时，价带中的电子会受到激发跃迁到导带，价带上形成空穴（h+），而导带则带有电子（e-），在半导体中产生电子-空穴对。TiO2光催化氧化反应机理O·2-H2OH2O2H2OOH-·OH·OHe-CBe-CB

8、e-CBe-CBe-CB光子hv电子激发电子空穴对复合O3O2导带禁带h+VB价带h+VBh+VBh+VBh+VB当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光生电子-空穴。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的自由基基团（HO.）电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的自由基基团(.O2-,HO.等)空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2,H2OA:半导体吸收光，产生电子和空穴