tio2光催化原理及應(yīng)用

1、TiO 2光催化原理及應(yīng)用一.前言在世界人口持續(xù)增加以及廣泛工業(yè)化的過程中，飲用水源的污染問題日趨嚴(yán)重。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的估計(jì)， 地球上 22% 的居民日常生活中的飲用水不符合世界衛(wèi)生組織建議的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期攝入不干凈飲用水將會(huì)對(duì)人的身體健康造成嚴(yán)重危害 , 世界范圍內(nèi)每年大概有 200 萬人由于水傳播疾病死亡。水中的污 染物呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)，常見的污染物包括有毒重金屬、自然毒素、藥物、有機(jī)污染物等。常規(guī)的飲用水凈化技術(shù)有氯氣、臭氧

2、和紫外線消毒以及過濾、吸附、靜置等，但是這些方法對(duì)新生的污物往往不是非常有效，并且可能導(dǎo)致二次污染。包括我國(guó)在內(nèi)世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的氯氣消毒法，可能在水中生成對(duì)人類健康有害的高氯酸鹽。臭氧消毒是比較安全的消毒方法，但是所需設(shè)備昂貴；而紫外線消毒法需要能源支持，并且日常的維護(hù)都需要專業(yè)的技術(shù)人員；吸附法一般需要消耗大量的吸附劑，使用過的吸附劑一般需要額外的處理。這些缺點(diǎn)限制了它們的應(yīng)用范圍，迫切需要發(fā)展一種高效、綠色、簡(jiǎn)單的凈化水技術(shù)。自

3、然界中， 植物、藻類和某些細(xì)菌能在太陽光的照射下， 利用光合色素將二氧化碳 （或硫化氧）和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣（或氫氣） 。這種光合作用是一系列復(fù)雜代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。光化學(xué)反應(yīng)的過程與植物的光合作用很相似。光化學(xué)反應(yīng)一般可以分為直接光解和間接光解兩類。直接光解為物質(zhì)吸收能量達(dá)到激發(fā)態(tài)，吸收的能量使反應(yīng)物的電子在軌道間的轉(zhuǎn)移，當(dāng)強(qiáng)度夠大時(shí)，可造成化學(xué)鍵的斷裂，產(chǎn)生其它物質(zhì)。直接光解

4、是光化學(xué)反應(yīng)中最簡(jiǎn)單的形式，但這類反應(yīng)產(chǎn)率一般較低。間接光解則為反應(yīng)系統(tǒng)中某一物質(zhì)吸收光能后，再誘使另一種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。半導(dǎo)體在光的照射下， 能將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能， 促使化合物的合成或使化合物 (有機(jī)物、無機(jī)物 )分解的過程稱之為半導(dǎo)體光催化。 半導(dǎo)體光催化是光化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，它能使許多通常情況下難以實(shí)現(xiàn)或不可能進(jìn)行的反應(yīng)在比較溫和的條件下順利進(jìn)行。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，光催化技術(shù)具有兩個(gè)最顯著的特征：第一，光催化是低溫深度反

5、應(yīng)技術(shù)。光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機(jī)污染物等完全氧化二氧化碳和水等產(chǎn)物。第二，光催化可利用紫外光或太陽光作為光源來活化光催化劑，驅(qū)動(dòng)氧化－還原反應(yīng)，達(dá)到凈化目的，對(duì)凈化受無機(jī)重金屬離子污染的廢水及回收貴金屬亦有顯著效果。二.TiO2 的性質(zhì)及光催化原理許多半導(dǎo)體材料 (如TiO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，ZnS，CdS等)具有合適的能帶結(jié)構(gòu)可以作為光催化劑。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半導(dǎo)體在光照下不穩(wěn)定，

6、存在不同程度的光腐蝕現(xiàn)象。在眾多半導(dǎo)體光催化材料中， TiO 2以其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化 -還原性強(qiáng)、抗腐蝕、無毒及成本低而成為目前最為廣泛使用的半導(dǎo)體光催化劑。TiO2屬于一種 n型半導(dǎo)體材料，它有三種晶型 —— 銳鈦礦相、金紅石相和板鈦礦相，板H2O2 + · O2 - → ·OH+H +·OH + dye →···→ CO 2 + H2O · O2 -+ dye

7、 →···→ CO 2 + H2O 當(dāng)然也會(huì)發(fā)生，光生電子與空穴的復(fù)合：h + + e - → 熱能由機(jī)理反應(yīng)可知， TiO2光催化降解有機(jī)物，實(shí)質(zhì)上是一種自由基反應(yīng)。羥基自由基是含有一個(gè)未成對(duì)電子自由基，這使得它幾乎能跟水中的幾乎所有機(jī)污染物和大部分的無機(jī)污染物反應(yīng)。它與污染物的反應(yīng)速度非?？?，反應(yīng)速度僅僅受限于羥基自由基在水中的擴(kuò)散速度。羥基自由基與污染物的反應(yīng)機(jī)理主要包括在不飽和的雙鍵、三鍵上的加成

8、反應(yīng)，氫取代和電子的轉(zhuǎn)移。很多研究表明，羥基自由基在光催化降解的過程中起主導(dǎo)作用。雖然超氧自由基、單基態(tài)氧和雙氧水的氧化電位低于羥基自由基，但是他們?cè)诮到獾倪^程中也起到不可或缺的作用。 TiO2光催化主要通過生成的含氧自由基與水中的污染物反應(yīng)， 達(dá)到降解的目的，并且最終產(chǎn)生對(duì)環(huán)境無害的水、二氧化碳、氮?dú)獾取?TiO 2光催化可以同時(shí)產(chǎn)生帶正電荷的空穴以及帶有負(fù)電荷的電子， 這使得催化體系既有氧化能力又有還原能力。所以劇毒的三價(jià)砷（砒霜的

9、有效成分就是三價(jià)砷）可以被氧化成低毒的五價(jià)砷，對(duì)人有害的六價(jià)鉻被還原成無毒的三價(jià)鉻。TiO2作為光催化劑它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1. 把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能加以利用。2. 降解速度快，光激發(fā)空穴產(chǎn)生的 · OH是強(qiáng)氧化自由基，可以在較短的時(shí)間內(nèi)成功的分解包括難降解有機(jī)物在內(nèi)的大多數(shù)有機(jī)物。3. 降解無選擇性，幾乎能降解任何有機(jī)污染物。4. 降解范圍廣，幾乎對(duì)所有的污水都可以采用。5. 具有高穩(wěn)定性、耐光腐蝕、無毒等特點(diǎn)，并且在處理過

10、程中不產(chǎn)生二次污染；有機(jī)污染物能被氧化降解為 CO2和H2O，并且其對(duì)人體無毒。6. 反應(yīng)條件溫和，投資少，能耗低，用紫外光照射或暴露在太陽光下即可發(fā)生光催化化學(xué)反應(yīng)。7. 反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作控制。光催化反應(yīng)具有穩(wěn)定性，一般情況下，負(fù)載 TiO2光催化劑能多次使用，不影響反應(yīng)效果，催化作用持久長(zhǎng)效。三.TiO 2的應(yīng)用領(lǐng)域TiO2能有效的將廢水中的有機(jī)物、無機(jī)物氧化或還原為 CO2、PO4 3-、SO4 2-、NO3 -、鹵素離子等