光催化技術(shù)的研究進(jìn)展

1、光催化技術(shù)的研究進(jìn)展0708010219賈善坤光催化技術(shù)的研究進(jìn)展光催化技術(shù)是在 20 世紀(jì) 70 年代誕生的基礎(chǔ)納米技術(shù)，最典型的天然光催化劑就是我們常見的植物的光合作用，空氣中的二氧化碳和水在光的作用下合成為氧氣和碳水化合物?？偟膩碚f納米光催化技術(shù)是一種納米仿生技術(shù)，用于環(huán)境凈化，自清潔材料，先進(jìn)新能源，癌癥醫(yī)療，高效率抗菌等多個(gè)前沿領(lǐng)域。1 光催化反應(yīng)光催化反應(yīng)是光和物質(zhì)之間的多種相互作用方式之一，是光反應(yīng)和催化反應(yīng)的融合是在光和催化劑同時(shí)作用下所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)是利用一定波長的光照射某些具有能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光催化劑如 TiO2、ZnO、WO3、CdS 等使其產(chǎn)生先生載流子，從而促

2、使許多難以實(shí)現(xiàn)的光化學(xué)反應(yīng)能在常規(guī)條件下進(jìn)行。TiO2由于化學(xué)穩(wěn)定性高、廉價(jià)、無毒、耐光腐蝕且具有較深的價(jià)帶能級，可使一些光化學(xué)反應(yīng)在 TiO2表面得以實(shí)現(xiàn)，因此研究者大多認(rèn)為 TiO2是理想的半導(dǎo)體光催化劑。2 光催化的原理半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)是：由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，價(jià)帶和導(dǎo)體之間由禁帶分開。當(dāng)用能量等于或大于禁帶寬度的光照射時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的光生空穴（h+）,這樣就在半導(dǎo)體內(nèi)部生成電子-空穴對。由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長，并在電場作用下分離并遷移到粒子表面。光生空穴具有極強(qiáng)的得電子能力，可奪取半導(dǎo)體

3、顆粒表面有機(jī)物或溶液中的電子，使原本不吸收光的物質(zhì)都被活化氧化，因此具有很強(qiáng)的氧化能力，將其表面吸附的 OH-和 H2O 分子氧化成自由基 OH,再由 OH 無選擇地將有機(jī)物氧化，最終降解為 CO2和 H2O 等簡單的無機(jī)物。光生電子也能夠與 O2發(fā)生作用生成 HO2和 O-2 等活性氧類，這些活性氧自由基也能參與氧化還原反應(yīng)。遷移到表面的光生電子和空穴既能參與加速光催化反應(yīng)，同時(shí)也存在著復(fù)合的可能性。在不同有機(jī)物的光催化反應(yīng)過程中，羥基是主要的活性物質(zhì)，對光催化氧化起決定性作用。但是也有研究認(rèn)為，氧化反應(yīng)可能通過光生空穴直接發(fā)生。目前光催化反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理仍然是人們爭論的話題。3TiO2光催化技

4、術(shù)的發(fā)展自 1972 年 TiO2被發(fā)現(xiàn)能夠光催化降解水以來，半導(dǎo)體 TiO2光催化在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛地關(guān)注。特別是利用 TiO2多相光催化技術(shù)處理水中存在的多種難降解有毒有機(jī)和無機(jī)污染物的研究近年來備受關(guān)注。在早期研究階段，大多采用 TiO2半導(dǎo)體的懸漿體系降解有毒有機(jī)物。但由于 TiO2懸漿體系存在易流失、不便于回收、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，阻礙了這項(xiàng)新型技術(shù)的實(shí)用化，因而將 TiO2負(fù)載到適當(dāng)?shù)妮d體上使其固化便成了迫切的需求。催化劑負(fù)載的方法多種多樣，有溶膠-凝膠、溶液浸漬、液相（氣相）化學(xué)沉積、等粒子體噴射法、電化學(xué)法等。不同負(fù)載的 TiO2的光催化活性亦不相同。雖然 TiO2是一種典型的

5、性能良好的光催化劑，但在實(shí)際應(yīng)用中存在量子效率偏低，光譜響應(yīng)范圍窄，對太陽能有效利用率低等缺點(diǎn)。為了克服以上缺點(diǎn)，常常對 TiO2半導(dǎo)體進(jìn)行以抑制先生電子與空穴復(fù)合、提高量子產(chǎn)率并盡量使 TiO2半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)波長向可見光移動為目的的 TiO2改性與表面修飾的研究。常見的改性方法主要有貴金屬沉積、半導(dǎo)體復(fù)合、金屬離子摻雜及半導(dǎo)體光敏化。其中研究最多的是金屬離子摻雜。根據(jù)前人的研究結(jié)果，過渡金屬離子摻雜到催化劑中可以起到類似助劑”作用。這種作用可能從以下幾方面體現(xiàn)出來：多種過渡金屬離子的光吸收范圍比二氧化鈦寬，從而可以更有效地利用光能；過渡金屬元素存在多個(gè)化合價(jià)，在 TiO2品格中摻雜少量過渡

6、金屬離子，可以在其表面產(chǎn)生缺陷或改變其結(jié)晶度， 成為光生電子-空穴對的淺勢捕獲阱， 使彳#TiO2納米晶電極呈現(xiàn) p-n 型光響應(yīng)共存現(xiàn)象，延長電子與空穴的復(fù)合時(shí)間，提高了二氧化鈦的光催化性能；光生電子-空穴對所帶電荷較強(qiáng)，難以通過表面電荷區(qū)進(jìn)入到溶液中進(jìn)行反應(yīng)，要求反應(yīng)物預(yù)先吸附在催化劑表面，因而通過過渡金屬摻雜，改善其對反應(yīng)物的吸附性能也是光催化性能提高的重要原因。 一般來說,摻雜離子的電位要與 TiO2的價(jià)帶、 導(dǎo)帶相匹配， 離子半徑與 Ti4+相近，具有完全充滿或半充滿電子構(gòu)型的過渡金屬離子如：Fe3+、Co2+、C 產(chǎn)效果要好于具有閉殼層電子構(gòu)型的金屬離子如 Zn2+、Ga3+、Nb

7、5+、Sn4+等，高價(jià)離子如 W6+的摻雜好于低價(jià)離子。過渡金屬離子摻雜的濃度常常存在一個(gè)最佳值，金屬離子的最佳摻雜量可以用摻雜后 TiO2表面電荷層厚度來度量。摻雜劑的量會影響 TiO2表面的空間電荷層厚度,其最佳厚度為 2nm 左右,空間電荷層厚度隨著摻雜量的增加而減小， 當(dāng)空間電荷層厚度近似等于入射光透入固體的深度時(shí)，所有吸收的光子產(chǎn)生的電子-空穴對會發(fā)生有效分離，催化劑光利用效率最高，此時(shí)的金屬離子摻雜量為最佳摻雜量。金屬離子的摻雜實(shí)驗(yàn)都證明了最佳摻雜量的存在。在最佳摻雜量時(shí)，催化劑光催化性能的提高程度與對應(yīng)金屬氧化物的生成始有很好的一致性。此外，還發(fā)現(xiàn)摻雜影響催化劑光催化氧化還原性能

8、,光催化性能與過渡金屬離子穩(wěn)定氧化態(tài)的電子親和勢與離子半徑比值間呈現(xiàn)火山型關(guān)系曲線。4 光催化的應(yīng)用4.1 廢水處理隨著科技的進(jìn)步和人類的發(fā)展，水中難分解的有毒的有機(jī)和無機(jī)污染物不斷富集，使有限的水資源受到嚴(yán)重污染，甚至發(fā)展到威脅人類生存的地步，對這些污染物的處理已經(jīng)成為全球關(guān)注研究的熱點(diǎn)。光催化技術(shù)能將水中許多有機(jī)物徹底礦化，還能將一些重金屬離子光催化還原，具有能耗低、操作簡便、反應(yīng)條件溫和，無二次污染和分解速度快等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新的高效節(jié)能的環(huán)境污染治理技術(shù)。4.2 空氣凈化研究發(fā)現(xiàn)，在紫外光照射下，以 TiO2為催化劑,可以有效地降解空氣中的苯系物、鹵代燒燒、醛、酮和酸。利用 TiO2光

9、催化氧化反應(yīng)，還可以用于處理無機(jī)廢氣?？蓪⑵囄矚庵械牡土虻难趸锓纸鉃闊o害的物質(zhì)；還可去除室內(nèi)汗臭、香煙臭味和冰箱異味等。美國和日本已經(jīng)利用光催化技術(shù)制備的空氣凈化器用于處理室內(nèi)、隧道、醫(yī)院內(nèi)的有害氣體;家用和車用光催化空氣凈化器也具有良好的凈化空氣、殺菌、除塵的功效。4.3 超親水性目前研究認(rèn)為，在光照條件下，TiO2表面的超水性是由于表面結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致的。利用這一性質(zhì)可以制備自清潔材料。 自清潔材料使用的光催化劑還有良好的光催化氧化能力和表面超親水性能。日本開發(fā)的汽車后視鏡用自清潔 PET 薄膜和汽車車身專用超親水材料， 均已被日產(chǎn)汽車公司采用。 據(jù)測算， 用自清潔材料涂裝的汽車可以減

10、少洗車用水 90%。在我國，北京首都體育館、北京工人體育場、北京奧體中心也都用光催化自清潔材料進(jìn)行了裝飾。5 展望TiO2具有很高的光催化活性，目前它在光催化領(lǐng)域中的研究和在環(huán)境污染治理方面的應(yīng)用越來越受到人們的重視。TiO2在光催化方面的特殊性能使得它對環(huán)保，節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展方向具有重要意義。但是，到目前為止人們對 TiO2的研究主要處于試驗(yàn)階段，甚至對某些機(jī)理仍然存在爭議，離實(shí)際應(yīng)用還比較遠(yuǎn)。因此，對光催化的進(jìn)一步研究仍是日后的重點(diǎn)，此外還有加快納米 TiO2的工業(yè)化進(jìn)程，使之為人類創(chuàng)造更好的生活環(huán)境。參考文獻(xiàn)：11 雷英杰,趙康.中國藥物化學(xué)雜志J,2003,13(5):264-266.2姜鐵夫，康萬軍，杜妙，等.解放軍藥學(xué)學(xué)報(bào)J,2006,22(3):228-230.【3】劉守新，劉鴻.光催化及光電催化基礎(chǔ)與應(yīng)用M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006,51.羅潔,陳建山.工業(yè)催化J,2004,12(4):36-38.漆新華,王中華，莊源益，等.化工環(huán)保J,2004,24(1):1-4高遠(yuǎn),徐安武，祝靜艷，等.催化學(xué)報(bào)J,2001,22(