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    半导体光催化氧化技术的研究进展

    文章出处:华康中天    人气:176     发表时间:2019-05-10

       工业的发展不仅给人类的生活带来了日新月异的变化,也给人类赖以生存的环境造成了巨大的威肋和危害。所幸的是,随着环境污染的日益严重,人类的环保意识也逐渐增强。在水污染治理方面,化工废水尤其是含有苯环、多环类有机污染物的治理成为人们关注的焦点。目前从废水中去除有机污染物的方法主要有颗粒活性炭法、气提法和氧化工艺尊}I。但是,颗粒活性炭法和气提法只是将有机物从一种相转移到另一种相中,因而它们均属于非破坏性技术,只有氧化工艺才可以将其完全破坏掉。笔者提到的半导体光催化氧化技术即是氧化工艺的一种,它可利用光生强氧化剂将有机污染物彻底氧化为H2O,CO2等小分子,且适用范围广,能处理多种污染物,特别对难降解的有机物具有很好的氧化分解作用。此外,光催化氧化法具有反应设备简单,无二次污染,催化材料易得,且有望使用太阳光作为反应光源等优点,故越来越受到人们的重视。笔者将对半导体光催化氧化技术的机理、光催化剂、光催化反应器及该项技术的进展进行综述。
      半导体材料之所以成为光催化剂是由其独特的能带结构决定的。通常情况下,半导体粒子的能带结构是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成的,它们之间由禁带分开。当用能量等于或大于禁带宽度(一般在3eV以下)的光照射半导体时,其价带上的电子被激发,越过禁带进入导带,同时在价带上产生相应的空穴。这种光生电子和空穴在向半导体粒子表面迁移的过程中,一方面,由于半导体粒子的能带间缺少连续区域,从而使它们有较充足的时间与吸附在半导体催化剂表面上的物质发生氧化还原反应,或被表面晶格缺陷俘获;另一方面它们在粒子内部或表面有直接复合的可能性,而载流子的复合几率决定了光催化反应的量子效率,因此当复合占主导地位时,光催化反应的量子效率将会很低。


      就水溶液中的光催化反应而言,光生电子的俘获剂主要是吸附于TiO2表面的溶解氧,而光生空穴则既可以被H2O俘获,也可以被吸附在半导体表面的有机物俘获,也可使原本不吸收光的有机物质被直接氧化分解。
      随着晶粒粒径的减小,分立能级增大,其吸收光的波长变短,光生电子比宏观晶体具有更负的电位,相应的表现出更强的还原性;而光生空穴具有更正的电位,故表现出更强的氧化性,晶粒尺寸从30nm减小到10nm时,其光催化降解苯酚的活性提高了近45写但粒径减小也有其负面作用。晶粒尺寸的减小其吸收带边将会蓝移对所用光源的光响应范围将会变窄,从而使得单位时间内吸收的光子数量减少,并因此导致光催化效率的降低。
      光催化剂表面应有一定的轻基基团,借助轻基基团实现光生空穴的捕获,抑制空穴一电子对的复合。表面的适光强度和一定数量的酸碱中心的匹配也会促进光催化过程;表面缺陷(尤其是氧空位形成的缺陷)的存在对光催化活陛也起着重要的作用,它可以增加催化剂表面活性轻基的反应活性从而提高反应速率,但有时缺陷也可能成为空穴与电子的复合中心;此外,在晶格缺陷等其他因素相同时,催化剂表面积越大,吸附量越大,活性就越高,但实际上,由于对催化剂的热处理不充分,具有大表面积的。往往也存在更多的复合中心,当复合过程起主要作用时,就会出现活性降低的情况。
      固定型光催化反应器是将TiO2等半导体材料涂覆在载体上,使污水流过经固定化的催化剂,并与之作用,以这种形式存在的TiO2不易流失,且这样减少了催化剂分离步骤。但带来的问题是催化剂接触表面积相对较小,还存在易淤塞和难再生的问题,因而效率不高。
      作为一种氧化工艺,半导体光催化氧化技术既有其优点—设备简单、操作条件易于控制、氧化能力强、无二次污染,也有其缺点—反应速率不高、对高浓度废水处理效果不理想、反应机理中缺乏中间产物及活性物种的鉴定等。其优点使它在各种生物难降解废水、综合废水的处理及生活用水的深度处理等方面有很广阔的应用前景,其缺点却使它到目前还没有实现工业化。因此,关于半导体光催化氧化技术的研究,应从如下几个方面来考虑。
      1)提高反应效率。半导体载流子的复合率较高是导致光催化反应效率低下的主要原因,因此要提高光催化反应效率,首先要抑制载流子的复合。此外,设计高效大型光催化反应器也是值得关注的一个研究方向。
      2)利用太阳光。对催化剂进行改性,使其可利用的光谱范围产生红移,从而可直接利用太阳光,使该技术进入实用化时期。
      3)进一步研究反应机理。目前对光催化反应机理的研究仍停留在设想与推测阶段,因此今后的研究要着重于中间产物和活性组分的鉴定,从而揭示催化机理。
      4)摸索较佳操作条件。其中包括体系温度、酸碱度、添加剂用量与配比、光照强度等。
      5)与其他处理方法联合使用。要达到有效降解污染物的目的,仅靠光催化是不够的,因此将光催化与其他处理方法联合使用成为光催化发展的一个必然趋势。

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