光催化劑的發(fā)展前景與突破

1、光催化劑的發(fā)展前景與突破一、解決人類生存的重大問(wèn)題 光催化學(xué)科是催化化學(xué)、光電化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域。光催化劑的研究應(yīng)用一旦獲得突破，將可以使環(huán)境和能源這兩個(gè)二十一世紀(jì)人類面臨的重大生存問(wèn)題得以解決。 利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫h2o h2 + ½ o2 徹底解決能源問(wèn)題 利用環(huán)境光催化 c6h6 + 7 ½ o2 6 co2 + 3h2o 徹底解決污染問(wèn)題光催化以其室溫深度反應(yīng)和可直接利用太陽(yáng)光作為光源來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)等獨(dú)特性能而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)和潔凈能源生產(chǎn)技術(shù)。二、光催化研究領(lǐng)域急需解決的重大科技問(wèn)題 目前以二氧化鈦為基

2、礎(chǔ)的半導(dǎo)體光催化存在一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題，使其廣泛的工業(yè)應(yīng)用受到極大制約，而這些問(wèn)題的解決有賴于深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。 最突出的問(wèn)題在于：（1）量子效率低（4%） 難以處理量大且濃度高的廢氣和廢水，難以實(shí)現(xiàn)光催化分解水制氫的產(chǎn)業(yè) 化。（2）太陽(yáng)能利用率低 由于tio2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(eg=3.2ev)決定了其只能吸收利用紫外光或太陽(yáng)光中的紫外線部分(太陽(yáng)光中紫外輻射僅占5 %)。（3）多相光催化反應(yīng)機(jī)理尚不十分明確 以半導(dǎo)體能帶理論為基礎(chǔ)的光催化理論難以解釋許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使得改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新型高效光催化劑的研究工作盲目性大。（4）光催化應(yīng)用中的技術(shù)難題 如在液相反應(yīng)體系中光催化劑的負(fù)載技術(shù)和分離回

3、收技術(shù)，在氣相反應(yīng)體系中光催化劑的成膜技術(shù)及光催化劑活性穩(wěn)定性問(wèn)題。上述關(guān)鍵問(wèn)題也是目前國(guó)內(nèi)外光催化領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，圍繞這些問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步的研究不僅可望在光催化基礎(chǔ)理論方面獲得較大的突破，而且有利于促進(jìn)光催化技術(shù)真正能在上述眾多領(lǐng)域得到大規(guī)模廣泛工業(yè)應(yīng)用。三、光催化領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展 近年來(lái)，光催化的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究發(fā)展非常迅速，特別是在可見(jiàn)光誘導(dǎo)的新型光催化劑的研究、提高光催化過(guò)程效率的研究和光催化功能材料的研究等方面都取得了重要進(jìn)展。1、可見(jiàn)光誘導(dǎo)的光催化劑研究方面取得重大突破 采用固相合成、過(guò)渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機(jī)絡(luò)合物、表面敏化、半導(dǎo)體復(fù)合等多種方法，制備出了一系列新型非

4、二氧化鈦系或二氧化鈦基可見(jiàn)光光催化材料，這些材料在可見(jiàn)光的照射下，能將h2o分解為h2和o2，或能有效降解空氣、水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物。2、為解決多相光催化過(guò)程效率偏低的問(wèn)題，近年從提高催化劑自身的量子效率和改進(jìn)反應(yīng)過(guò)來(lái)程條件兩個(gè)方面開(kāi)展了大量的研究工作，取得了重要進(jìn)展。 采用離子摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合、納米晶粒制備、超強(qiáng)酸化等方法，提高光生載流子的分離效率和抑制電子-空穴的重新復(fù)合，在一定程度上改善了光催化劑的量子效率。3、光催化材料超親水性的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)辟了光催化研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域 利用光催化膜的超親水性和強(qiáng)氧化性等特性，研制開(kāi)發(fā)出一系列光催化功能材料，如光催化自清潔抗霧玻璃、光催化自清潔抗菌陶瓷和

5、光催化環(huán)保涂料等。這些功能材料已開(kāi)始在建筑材料領(lǐng)域應(yīng)用。與之相應(yīng)的光催化膜功能材料的基礎(chǔ)研究也有大量的文獻(xiàn)報(bào)道。4、 超分散性及可見(jiàn)光活性實(shí)現(xiàn)突破 河南工業(yè)大學(xué)李道榮教授開(kāi)發(fā)出了超分散性及可見(jiàn)光活性納米二氧化鈦光催化劑，這種氮摻雜納米二氧化鈦光催化劑具有較強(qiáng)的可見(jiàn)光活性，在室內(nèi)光作用下即可分解污染物。所得產(chǎn)品已通過(guò)河南華榮環(huán)?？萍加邢薰玖慨a(chǎn)。產(chǎn)品形貌為棒狀（柱狀）多邊形實(shí)體粒子，直徑5納米長(zhǎng)度約10至15納米 。產(chǎn)品具有可見(jiàn)光活性，光催化活性高。分散性極好，透射電鏡圖片不產(chǎn)生團(tuán)簇。這種產(chǎn)品用于涂料中，解決了在涂料中的納米產(chǎn)品易團(tuán)聚、活性被掩蓋的世界性難題。這種產(chǎn)品在成膜后，無(wú)論使用什么樣的成膜劑，由于它是棒狀（柱狀）多面體，在表面總有一定的裸露點(diǎn)而獲得光的激發(fā)，所以活性被掩蓋較少?？梢哉f(shuō)，該產(chǎn)品的出現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境污染治理難題的跨越。四、我國(guó)光催化學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀 最近幾年，由于國(guó)際上光催化分解水研究的復(fù)蘇，特別是環(huán)境光催化的崛起，我國(guó)許多高等院校、中科院研究所、部委及軍隊(duì)研究院所都開(kāi)展了光催化研究工作。催化化學(xué)、光電化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等諸多學(xué)科的科研人員都紛紛加入到光催化研究隊(duì)伍。我國(guó)的光催化研究整體上已經(jīng)進(jìn)入快