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光催化的原理以及应用简介
时间:2021-05-17 13:36 点击次数:

光催化机理:

半导体材料在紫外及可见光照射下,将光能转化为化学能,并促进有机物的合成与分解,这一过程称为光催化。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)形成光生载流子(电子-空穴对)。在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时,吸收的光能因为载流子复合而以热的形式耗散。价带空穴是强氧化剂,而导带电子是强还原剂。大多数有机光降解是直接或间接利用了空穴的强氧化能力。

例如TiO2是一种半导体氧化物,化学稳定性好(耐酸碱和光化学腐蚀),无毒,廉价,原料来源丰富。 TiO2在紫外光激发会产生电子-空穴对,锐钛型TiO2激发需要3.2 eV的能量,对应于380 nm左右的波长。光催化活性高(吸收紫外光性能强;能隙大,光生电子的还原性和和空穴的氧化性强)。因此其广泛应用于水纯化,废水处理,有毒污水控制,空气净化,杀菌消毒等领域。

主要的光催化剂类型:

11 金属氧化物或硫化物光催化剂

常见的金属氧化物或硫化物光催化剂有TiO,、ZnOWO3Fe2O3 ZnSCdSPbS等。其中,CdS的禁带宽度较小,与太阳光谱中的近紫外光段有较好的匹配性,可以很好地利用自然光源,但容易发生光腐蚀,使用寿命有限。TiO,具有催化能力强、化学稳定性好、无毒、价格低等优点,是目前研究和应用最广泛的光催化剂。为提高金属氧化物或硫化物光催化剂的催化性能,可对其进行修饰改性。

1)表面修饰的光催化剂:表面修饰的方式主要有沉积贵金属? 、掺杂过渡金属离子 和半导体的复合等。Et本国立先进工业科学技术研究院的科学家发现,固态合成的钢钽氧化物半导体用镍掺杂后制成的In1-x NixTa04( x002)催化剂 禁带宽度为123eV,可吸收可见光,明显加快水的分解。用N掺杂的TiO 光催化剂TiO2-xNx对于可见光下亚甲基蓝和乙醛的光催化降解具有很高的活性,掺杂的NTiO,中的取代位使光催化剂的禁带宽度明显降低,光催化活性大大提高 j。还有研究者提出用染料修饰TiO2来改善其光催化活性 。

2)纳米材料光催化剂 :当催化剂粒度在1nmlOnm时,呈现纳米材料的表面效应和量子效应,催化活性提高。纳米催化剂还具有可见光透过性好、光吸收能力强、耐热性好、耐腐蚀和无毒等优点。ZnO作为一种重要的光催化剂,是少数可以实现量子尺寸效应的氧化物半导体材料之一。井立强等研究表明,ZnO超微粒子在光催化降解苯酚的过程中比商品ZnO的光催化活性高得多。

3)负载型光催化剂:负载型光催化剂避免了光催化悬浮体系中催化剂难分离回收的问题,从而实现连续稳定操作。负载方法可以是在基质上制成催化剂膜,或催化剂以微粒状吸附负载于载体上。

4)微波等离子体处理的光催化剂:用微波等离子体处理光催化剂的过程,是利用微波等离子体中的分子离解成化学性质十分活泼的原子或原子团,与光催化剂间进行化学物理作用的过程。Martin等指出 ,用等离子体化学气相沉积法制备的以玻璃珠为载体的TiO2,膜膜层厚度均匀,具有致密性和良好的粘附性,对乙二酸水溶液的光催化降解有较高的效率。李振旦等¨叫将微波辐射技术用于制备固体超强酸SO42- TiO2,催化剂。与常规加热法相比,微波加热制备的SO42-TiO2催化剂使乙烯的光催化氧化分解反应的量子效率大大提高。

12 分子筛光催化剂

分子筛是一种高效、高选择性的光催化剂载体,在分子筛的纳米微孔反应场里有一般光催化系统难以实现的光催化性能。Zhang? 报道了TiMCM41TiMCM48中孔分子筛对CO,在HO中还原的光催化作用,由于MCM41具有的大比表商积而使其光催化活性有所提高。郑珊等 研究了负载纳米金属PdMCM TiO,光催化剂,认为沉积在介孔孔道中TiO:表面的纳米Pd有良好的吸收电子作用,可有效减少光生电子和空穴的表面复合,改善光催化性能。

13 有机物光催化剂

1)卟啉类化合物光催化剂:具有共轭双键大环的卟琳类化合物在适当的条件下可传递电子,或经光照激发出电子。金星龙等报道¨ ,高分子金属卟啉具有很高的光敏性,在日光照射下有良好的光催化降解效率,能完全降解混合染料,可用于催化降解各种废水,如染料废水、化工废水和生活污水等。

2)金属酞菁类化合物光催化剂:酞菁类化合物是一种重要的催化剂,它主要用于催化有机反应。金属酞菁类化合物作为光催化剂,在可见光下对于有机化合物如水杨酸、对羟基苯甲酸、罗丹明B、硫代罗丹明B和结晶紫等都能进行有效的光催化降解 。

3)光生物催化反应体系:光生物催化反应体系是将无机半导体和微生物酶偶合的反应体系。例如,利用从微生物中分离出的氢化酶和硫氢化酶,经与TiO2,光催化剂偶合后可有效地光解水 ,也可通过光合作用直接以细菌作为产氢催化剂,和TiO2,等光催化剂偶合放氢。这类体系的产氢机理是光激发半导体产生导带电子,通过电子中继体将电子传递生物体外的酶或细菌中的酶上,再用酶催化产氢,而半导体价带空穴则被体系中的电子给予体消除。

光催化技术的应用

21 光催化在环保方面的应用

1)有机污染物的处理:光催化反应能分解多种环保上关注的有机物,还可消毒、脱色等。值得一提的是,光催化能将许多物质降解得十分彻底,最终产物除了CO H2O外,初始污染物中含有的卤素、硫、磷和氮等分别被转化为XSO42- PO43- NO3-等无机盐离子,大大减轻甚至完全消除了危害性。

2)无机污染物的处理:光催化能够解决汞、铬、铅等重金属离子的污染问题。刘森等 以ZnOTiO2为催化剂,以日光为光源,利用ZnOTiO2 的协同光催化作用对电镀含铬废水进行处理,使cr6离子还原为Cr3 离子,再以氢氧化物形式除去后者,从而达到治理的目的。光催化过程同样能够处理其他污染性金属。光催化还可降解氰化物等剧毒污染物 ” 。另外SO42-NO3-等有害气体均可吸附于光催化剂表面,并在光的作用下转化。

22 金属催化剂的制备和贵金属的回收

光催化过程除了用于治理重金属污染外,还可借助其催化还原能力,用于金属催化剂的制备和贵金属的回收。

1)金属催化剂的制备:Herrmann等研究表明,在锐钛矿型TiO2的作用下,H PtC1 溶液首先按方程(1)的反应在TiO2 表面沉积出单个的Pt原子¨ ,然后以此为生长点,Pt离子按方程(2)逐步被还原生成单质金属微粒,得到性能改进的负载型催化剂PtTiO2

Pt+2H20一→Ptu+4H +O (g) (1)

Pt4++ 一→Pt4+ 一→Pt24+一→Pt2 Pt34+ 一→一→Ptm  2

PtPdRhAuAgIr等贵金属的盐溶液出发,均可在光催化作用下在TiO,、ZnOWO 等表面沉积出金属颗粒,或制成由半导体化合物负载的Pf RhAgRhPtPd等双金属催化剂。

2)贵金属的回收:利用光催化反应沉积金属离子可实现贵金属的工业提取,例如从银离子溶液中经类似于(1)的反应提取金属银。光催化提取贵金属适用于处理常规方法无能为力的极稀溶液,用较简便的方法使金属富集在催化剂表面后,再用其它方法将其收集回收。

2.3纳米二氧化钛的应用

随着人们生活质量和水平的不断提高,对TiO2光催化杀菌性能进行了不断的开发和利用,并将其广泛应用于日常生活中。根据需要不同,纳米TiO2可制备成粉末或薄膜材料。将纳米TiO2薄膜涂覆于材料表面制备成抗菌材料,如抗菌陶瓷、抗菌玻璃、抗菌不锈钢等,将纳米TiO2粉末掺杂于其他材料中可制备成抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌纤维等。

涂覆TiO2纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷在日本已进行了工业化生产。主要用于医院、食品加工等场所,但抗菌效果受到了光源条件的限制。为了充分利用室内的太阳光和弱光,人们又积极开发了新型的抗菌陶瓷。

制备的表面镀有纳米TiO2薄膜的自清洁陶瓷,在无光照条件下,15min 内对金黄色葡萄球菌的灭菌率超过80% 。制备的TiO2 抗菌陶瓷,在普通荧光灯下,对金黄色葡萄球菌的灭菌率可达以85%

纳米TiO 2 薄膜涂覆于玻璃(如日用玻璃器皿、平板装饰玻璃等)表面,可制成有杀菌功能的玻璃制品,广泛应用于医院、宾馆等大型公共场所。雷阎盈[24]制备的TiO 2 微晶膜玻璃,具有杀菌广谱高效的特点。自然光照射30 m in 后,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色珠菌的杀菌率均达到90% 以上。纳米TiO 2 薄膜涂覆于不锈钢表面可制备成具有杀菌性能的不锈钢,在食品工业、医疗卫生乃至一般家庭都有广泛的应用前景。汪铭[25]制备了涂覆有A g+/TiO 2 薄膜的抗菌不锈钢,与普通不锈钢相比,其材料性能基本相同,抗菌性能随着膜层中含银量的增加而提高。当含银量大于2% 时,不锈钢的抗菌率可达到90% 以上。

24 光催化在化学合成方面的应用

1)有机物合成:光催化反应不仅可以降解许多有机化合物,在适当的条件下还可用来合成一些有机化合物,尤其是有机聚合物。Hoffman等 研究了量子尺寸CdS光催化剂引发甲基丙烯酸甲酯的聚合反应,并与其它量子尺寸光催化剂作了比较,发现引发该反应的能力依次为:TiO<ZnO<CdS,即CdS催化剂引发活性最高。与大尺寸半导体相比,量子尺寸的半导体表现出良好的引发聚合效率。

2)无机物合成:光催化反应还可用于水分解制氢 、合成氨 ¨等重要无机化学反应过程。利用半导体光催化剂催化水分解制氢,将太阳能转化成化学能,是当今光催化研究领域的热门课题。Karaktisou等的研究表明,当TiO,的表面有其它金属存在时,有利于氢气的生成,双功能PtRuO,/TiO,光催化体系是最有效的水分解制氢催化剂,氢的生成速率与溶液pH值呈指数关系,与光照强度和反应体系的搅拌速度呈线性关系。

25 光催化在卫生保健方面的应用

由于光催化过程具有强氧化性,对大多数的微生物都有很强杀伤力。因此,可作为杀菌消毒的手段,尤其用于生活用水的净化。光催化不仅能够杀死普通的细胞和病菌,还能使某些癌细胞死亡。Cai等指出 ,以直径约300A的超细TiO,悬浮液(100ugm1)为催化剂,在紫外光下照射10min,可将恶性HeLa细胞完全杀死。光催化治癌并不局限于杀伤人工培养的细胞样品,同样也能杀伤实验动物体内的癌细胞。尽管目前距实际临床应用尚有大量工作要做,但光催化技术在卫生保健方面的潜在应用价值己得到广泛关注。

结束语

光催化技术是一种高效、低能耗、洁净、无二次污染的技术,在许多领域有广阔的应用前景。近年来,人们对光催化技术进行了广泛的应用研究,取得的颇为丰硕的成果。但是,光催化技术实际应用中也存在一些问题,例如光催化剂的失活及再生、反应装置与光催化技术结合、光催化工艺条件的实施等。今后,还要努力致力于开发高活性和高选择性的光催化剂,采用自然光源和连续化过程的研究,光催化过程的优化研究和应用领域的开拓等。

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