tio2光催化原理及應用

1、TiO 2光催化原理及應用一.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重。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的估計， 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準。長期攝入不干凈飲用水將會對人的身體健康造成嚴重危害 , 世界范圍內每年大概有 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，常見的污染物包括有毒重金屬、自然毒素、藥物、有機污染物等。常規(guī)的飲用水凈化技術有氯氣、臭氧

2、和紫外線消毒以及過濾、吸附、靜置等，但是這些方法對新生的污物往往不是非常有效，并且可能導致二次污染。包括我國在內世界范圍內廣泛應用的氯氣消毒法，可能在水中生成對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，但是所需設備昂貴；而紫外線消毒法需要能源支持，并且日常的維護都需要專業(yè)的技術人員；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。這些缺點限制了它們的應用范圍，迫切需要發(fā)展一種高效、綠色、簡單的凈化水技術。自

3、然界中， 植物、藻類和某些細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）和水轉化為有機物，并釋放出氧氣（或氫氣） 。這種光合作用是一系列復雜代謝反應的總和，是生物界賴以生存的基礎，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。光化學反應的過程與植物的光合作用很相似。光化學反應一般可以分為直接光解和間接光解兩類。直接光解為物質吸收能量達到激發(fā)態(tài)，吸收的能量使反應物的電子在軌道間的轉移，當強度夠大時，可造成化學鍵的斷裂，產(chǎn)生其它物質。直接光解

4、是光化學反應中最簡單的形式，但這類反應產(chǎn)率一般較低。間接光解則為反應系統(tǒng)中某一物質吸收光能后，再誘使另一種物質發(fā)生化學反應。半導體在光的照射下， 能將光能轉化為化學能， 促使化合物的合成或使化合物 (有機物、無機物 )分解的過程稱之為半導體光催化。 半導體光催化是光化學反應的一個前沿研究領域，它能使許多通常情況下難以實現(xiàn)或不可能進行的反應在比較溫和的條件下順利進行。與傳統(tǒng)技術相比，光催化技術具有兩個最顯著的特征：第一，光催化是低溫深度反

5、應技術。光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機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，驅動氧化－還原反應，達到凈化目的，對凈化受無機重金屬離子污染的廢水及回收貴金屬亦有顯著效果。二.TiO2 的性質及光催化原理許多半導體材料 (如TiO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，ZnS，CdS等)具有合適的能帶結構可以作為光催化劑。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。在眾多半導體光催化材料中， TiO 2以其化學性質穩(wěn)定、氧化 -還原性強、抗腐蝕、無毒及成本低而成為目前最為廣泛使用的半導體光催化劑。TiO2屬于一種 n型半導體材料，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 當然也會發(fā)生，光生電子與空穴的復合：h + + e - → 熱能由機理反應可知， TiO2光催化降解有機物，實質上是一種自由基反應。羥基自由基是含有一個未成對電子自由基，這使得它幾乎能跟水中的幾乎所有機污染物和大部分的無機污染物反應。它與污染物的反應速度非?？欤磻俣葍H僅受限于羥基自由基在水中的擴散速度。羥基自由基與污染物的反應機理主要包括在不飽和的雙鍵、三鍵上的加成

8、反應，氫取代和電子的轉移。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，但是他們在降解的過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， 達到降解的目的，并且最終產(chǎn)生對環(huán)境無害的水、二氧化碳、氮氣等。 TiO 2光催化可以同時產(chǎn)生帶正電荷的空穴以及帶有負電荷的電子， 這使得催化體系既有氧化能力又有還原能力。所以劇毒的三價砷（砒霜的

9、有效成分就是三價砷）可以被氧化成低毒的五價砷，對人有害的六價鉻被還原成無毒的三價鉻。TiO2作為光催化劑它具有以下幾個優(yōu)點：1. 把太陽能轉化為化學能加以利用。2. 降解速度快，光激發(fā)空穴產(chǎn)生的 · OH是強氧化自由基，可以在較短的時間內成功的分解包括難降解有機物在內的大多數(shù)有機物。3. 降解無選擇性，幾乎能降解任何有機污染物。4. 降解范圍廣，幾乎對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，并且在處理過

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