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光催化的原理以及應用簡介

光催化機理:
半導體材料在紫外及可見光照射下,將光能轉化為化學能,并促進有機物的合成與分解,這一過程稱為光催化。當光能等于或超過半導體材料的帶隙能量時,電子從價帶(vb)激發到導帶(cb)形成光生載流子(電子-空穴對)。在缺乏合適的電子或空穴捕獲劑時,吸收的光能因為載流子復合而以熱的形式耗散。價帶空穴是強氧化劑,而導帶電子是強還原劑。大多數有機光降解是直接或間接利用了空穴的強氧化能力。
例如tio2是一種半導體氧化物,化學穩定性好(耐酸堿和光化學腐蝕),無毒,廉價,原料來源豐富。 tio2在紫外光激發會產生電子-空穴對,銳鈦型tio2激發需要3.2 ev的能量,對應于380 nm左右的波長。光催化活性高(吸收紫外光性能強;能隙大,光生電子的還原性和和空穴的氧化性強)。因此其廣泛應用于水純化,廢水處理,有毒污水控制,空氣凈化,殺菌消毒等領域。
主要的光催化劑類型:
1.1 金屬氧化物或硫化物光催化劑
常見的金屬氧化物或硫化物光催化劑有tio,、zno、wo3、fe2o3 、zns、cds和pbs等。其中,cds的禁帶寬度較小,與太陽光譜中的近紫外光段有較好的匹配性,可以很好地利用自然光源,但容易發生光腐蝕,使用壽命有限。tio,具有催化能力強、化學穩定性好、無毒、價格低等優點,是目前研究和應用泛的光催化劑。為提高金屬氧化物或硫化物光催化劑的催化性能,可對其進行修飾改性。
1)表面修飾的光催化劑:表面修飾的方式主要有沉積貴金屬? 、摻雜過渡金屬離子 和半導體的復合等。et本國立*工業科學技術研究院的科學家發現,固態合成的鋼鉭氧化物半導體用鎳摻雜后制成的in1-x 一 nixta04( x為0~0.2)催化劑 禁帶寬度為1.23ev,可吸收可見光,明顯加快水的分解。用n摻雜的tio 光催化劑tio2-x一nx對于可見光下亞甲基藍和乙醛的光催化降解具有很高的活性,摻雜的n在tio,中的取代位使光催化劑的禁帶寬度明顯降低,光催化活性大大提高 j。還有研究者提出用染料修飾tio2來改善其光催化活性 。
2)納米材料光催化劑 :當催化劑粒度在1nm~lonm時,呈現納米材料的表面效應和量子效應,催化活性提高。納米催化劑還具有可見光透過性好、光吸收能力強、耐熱性好、耐腐蝕和無毒等優點。zno作為一種重要的光催化劑,是少數可以實現量子尺寸效應的氧化物半導體材料之一。井立強等研究表明,zno超微粒子在光催化降解的過程中比商品zno的光催化活性高得多。
3)負載型光催化劑:負載型光催化劑避免了光催化懸浮體系中催化劑難分離回收的問題,從而實現連續穩定操作。負載方法可以是在基質上制成催化劑膜,或催化劑以微粒狀吸附負載于載體上。
4)微波等離子體處理的光催化劑:用微波等離子體處理光催化劑的過程,是利用微波等離子體中的分子離解成化學性質十分活潑的原子或原子團,與光催化劑間進行化學物理作用的過程。martin等指出 ,用等離子體化學氣相沉積法制備的以玻璃珠為載體的tio2,膜膜層厚度均勻,具有致密性和良好的粘附性,對乙二酸水溶液的光催化降解有較高的效率。李振旦等¨叫將微波輻射技術用于制備固體酸so42- /tio2,催化劑。與常規加熱法相比,微波加熱制備的so42-/tio2催化劑使乙烯的光催化氧化分解反應的量子效率大大提高。
1.2 分子篩光催化劑
分子篩是一種高效、高選擇性的光催化劑載體,在分子篩的納米微孔反應場里有一般光催化系統難以實現的光催化性能。zhang等? 報道了ti—mcm一41和ti—mcm一48中孔分子篩對co,在h,o中還原的光催化作用,由于mcm一41具有的大比表商積而使其光催化活性有所提高。鄭珊等 研究了負載納米金屬pd的mcm —tio,光催化劑,認為沉積在介孔孔道中tio:表面的納米pd有良好的吸收電子作用,可有效減少光生電子和空穴的表面復合,改善光催化性能。
1.3 有機物光催化劑
1)卟啉類化合物光催化劑:具有共軛雙鍵大環的卟琳類化合物在適當的條件下可傳遞電子,或經光照激發出電子。金星龍等報道¨ ,高分子金屬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,能降解混合染料,可用于催化降解各種廢水,如染料廢水、化工廢水和生活污水等。
2)金屬酞菁類化合物光催化劑:酞菁類化合物是一種重要的催化劑,它主要用于催化有機反應。金屬酞菁類化合物作為光催化劑,在可見光下對于有機化合物如水楊酸、對羥基苯甲酸、羅丹明b、硫代羅丹明b和結晶紫等都能進行有效的光催化降解 。
3)光生物催化反應體系:光生物催化反應體系是將無機半導體和微生物酶偶合的反應體系。例如,利用從微生物中分離出的氫化酶和硫氫化酶,經與tio2,光催化劑偶合后可有效地光解水 ,也可通過光合作用直接以細菌作為產氫催化劑,和tio2,等光催化劑偶合放氫。這類體系的產氫機理是光激發半導體產生導帶電子,通過電子中繼體將電子傳遞生物體外的酶或細菌中的酶上,再用酶催化產氫,而半導體價帶空穴則被體系中的電子給予體消除。
光催化技術的應用
2.1 光催化在環保方面的應用
1)有機污染物的處理:光催化反應能分解多種環保上關注的有機物,還可消毒、脫色等。值得一提的是,光催化能將許多物質降解得十分,最終產物除了co 和h2o外,初始污染物中含有的鹵素、硫、磷和氮等分別被轉化為x一、so42- 、po43- 、no3-等無機鹽離子,大大減輕甚至消除了危害性。
2)無機污染物的處理:光催化能夠解決汞、鉻、鉛等重金屬離子的污染問題。劉森等 以zno/tio2為催化劑,以日光為光源,利用zno和tio2 的協同光催化作用對電鍍含鉻廢水進行處理,使cr6離子還原為cr3 離子,再以氫氧化物形式除去后者,從而達到治理的目的。光催化過程同樣能夠處理其他污染性金屬。光催化還可降解等劇毒污染物 ” 。另外so42-、no3-等有害氣體均可吸附于光催化劑表面,并在光的作用下轉化。
2.2 金屬催化劑的制備和貴金屬的回收
光催化過程除了用于治理重金屬污染外,還可借助其催化還原能力,用于金屬催化劑的制備和貴金屬的回收。
1)金屬催化劑的制備:herrmann等研究表明,在銳鈦礦型tio2的作用下,h ptc1 溶液首先按方程(1)的反應在tio2 表面沉積出單個的pt原子¨ ,然后以此為生長點,pt離子按方程(2)逐步被還原生成單質金屬微粒,得到性能改進的負載型催化劑pt/tio2。
pt+2h20一→ptu+4h +o (g) (1)
pt4++ 一→pt4+ 一→pt24+一→pt2 一pt34+ 一→…一→ptm (2)
由pt、pd、rh、au、ag和ir等貴金屬的鹽溶液出發,均可在光催化作用下在tio,、zno、wo 等表面沉積出金屬顆粒,或制成由半導體化合物負載的pf— rh、ag—rh、pt—pd等雙金屬催化劑。
2)貴金屬的回收:利用光催化反應沉積金屬離子可實現貴金屬的工業提取,例如從銀離子溶液中經類似于(1)的反應提取金屬銀。光催化提取貴金屬適用于處理常規方法無能為力的極稀溶液,用較簡便的方法使金屬富集在催化劑表面后,再用其它方法將其收集回收。
2.3納米的應用
隨著人們生活質量和水平的不斷提高,對tio2光催化殺菌性能進行了不斷的開發和利用,并將其廣泛應用于日常生活中。根據需要不同,納米tio2可制備成粉末或薄膜材料。將納米tio2薄膜涂覆于材料表面制備成抗菌材料,如抗菌陶瓷、抗菌玻璃、抗菌不銹鋼等,將納米tio2粉末摻雜于其他材料中可制備成抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌纖維等。
涂覆tio2納米膜的抗菌瓷磚和衛生陶瓷在日本已進行了工業化生產。主要用于醫院、食品加工等場所,但抗菌效果受到了光源條件的限制。為了充分利用室內的太陽光和弱光,人們又積極開發了新型的抗菌陶瓷。
制備的表面鍍有納米tio2薄膜的自清潔陶瓷,在無光照條件下,15min 內對的滅菌率超過80% 。制備的tio2 抗菌陶瓷,在普通熒光燈下,對的滅菌率可達以85% 。
納米tio 2 薄膜涂覆于玻璃(如日用玻璃器皿、平板裝飾玻璃等)表面,可制成有殺菌功能的玻璃制品,廣泛應用于醫院、賓館等大型公共場所。雷閻盈[24]制備的tio 2 微晶膜玻璃,具有殺菌廣譜高效的特點。自然光照射30 m in 后,對大腸桿菌、、白色珠菌的殺菌率均達到90% 以上。納米tio 2 薄膜涂覆于不銹鋼表面可制備成具有殺菌性能的不銹鋼,在食品工業、醫療衛生乃至一般家庭都有廣泛的應用前景。汪銘[25]制備了涂覆有a g+/tio 2 薄膜的抗菌不銹鋼,與普通不銹鋼相比,其材料性能基本相同,抗菌性能隨著膜層中含銀量的增加而提高。當含銀量大于2% 時,不銹鋼的抗菌率可達到90% 以上。
2.4 光催化在化學合成方面的應用
1)有機物合成:光催化反應不僅可以降解許多有機化合物,在適當的條件下還可用來合成一些有機化合物,尤其是有機聚合物。hoffman等 研究了量子尺寸cds光催化劑引發甲基丙烯酸甲酯的聚合反應,并與其它量子尺寸光催化劑作了比較,發現引發該反應的能力依次為:tio,2)無機物合成:光催化反應還可用于水分解制氫 、合成氨 ¨等重要無機化學反應過程。利用半導體光催化劑催化水分解制氫,將太陽能轉化成化學能,是當今光催化研究領域的熱門課題。karaktisou等的研究表明,當tio,的表面有其它金屬存在時,有利于氫氣的生成,雙功能pt—ruo,/tio,光催化體系是的水分解制氫催化劑,氫的生成速率與溶液ph值呈指數關系,與光照強度和反應體系的攪拌速度呈線性關系。
2.5 光催化在衛生保健方面的應用
由于光催化過程具有強氧化性,對大多數的微生物都有很強殺傷力。因此,可作為殺菌消毒的手段,尤其用于生活用水的凈化。光催化不僅能夠殺死普通的細胞和病菌,還能使某些癌細胞死亡。cai等指出 ,以直徑約300a的超細tio,懸浮液(100ug/m1)為催化劑,在紫外光下照射10min,可將惡性hela細胞殺死。光催化治癌并不局限于殺傷人工培養的細胞樣品,同樣也能殺傷實驗動物體內的癌細胞。盡管目前距實際臨床應用尚有大量工作要做,但光催化技術在衛生保健方面的潛在應用價值己得到廣泛關注。
結束語
光催化技術是一種高效、低能耗、潔凈、無二次污染的技術,在許多領域有廣闊的應用前景。近年來,人們對光催化技術進行了廣泛的應用研究,取得的頗為豐碩的成果。但是,光催化技術實際應用中也存在一些問題,例如光催化劑的失活及再生、反應裝置與光催化技術結合、光催化工藝條件的實施等。今后,還要努力致力于開發高活性和高選擇性的光催化劑,采用自然光源和連續化過程的研究,光催化過程的優化研究和應用領域的開拓等。

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