简析光催化技术及其研究现状

简析光催化技术及其研究现状
杭子清
(南通市生态环境监控中心江苏南通226007)
摘要：随着环境污染问题日益加剧，人们逐渐意识到环境保护的重要性，近年来各种水处理技术逐渐受到科学家们的青睐,其中，高级氧化技术中的光催化氧化技术也逐渐成为广大研究学者的热门研究方向0文章以光催化氧化技术入手，综述了光催化反应的基本原理、光催化反应影响因素以及光催化技术的发展现状，同时讨论了光催化氧化技术今后可能的发展趋势，可以为光催化技术的研究及发展及提供参考和借鉴，同时为环境保护行业的发展提供更多参考方向。

关键词：半导体；光催化；光催化活性
引言
随着化工、医药!服装等工业行业的迅猛发展，人类社会的生产力在大幅度提升,经济也在逐年增长,与此同时,工业生产带来的环境污染问题也愈加严重，目前显然已成为当今社会亟待解决的问题之一，因此，当今社会人类和自然环境的可持续发展变得尤为重要，治理并修复环境污染，同时开发新型可再生能源势必会成为当今形势下科学研究的主流方向。

印染废水、医药废水等各种工业废水中存在大量有毒有害的物质"这些物质具有较高的生物活性、缓慢的生物降解性和假性持续性等特点，长期暴露于环境，不但会威胁人体健康，还会破坏生态系统的平衡。

目前对于有机污染物的去除技术有吸附、絮凝、生物氧化和高级氧化法等，传统的处理工艺存在二次污染、去除不彻底、有效度差、选择性高等缺点，限制了其大规模应用，相比之下，高级氧化技术中的非均相光催化氧化技术，由于具有高效、价格低廉、工艺简单等优势，被广泛应用于有机污染物的去除当中叫
1光催化技术基本原理
化能化为化学能的过程。

根据固体能带理论，这些半导体材料的能带结构是由填满电子的价带(VB'和空的高能导带(CB)构成，而且他们之间是不连续的，因此在价带和导带之间存在一个禁带，我们把价带顶和导带底之间能量差称为禁带宽度(Eg)0具体光催化的基本原理如图1所示，主要包括以下几个过程叫
(1)光的激发过程#当以大于禁带宽度(hv!Eg'的光照射半
时，其价带上的电子受到激发跃迁至导带上形成光生电子(e0)，同时在价带上留下等量的空穴(h1),二者形成光生电子空穴对，也称为光生载流子#
(2)载流子的迁移过程#是指在内部电场的作用下，光生电子空穴对可以得到有效分离同时迁移至半导体的表面# (3)氧化还原反应过程#光生电子可以与溶液中溶解的。

2分子反应生成超氧自由基CO20)，光生空穴与可以与溶液中的H2O分子或OH0反应生成Q基自由基(-OH),生成的超氧自由基和Q基自由基以及光激发过程中产生的光生空穴可以与半导体吸附的有机污染物发生氧化反应，从而实现对有机污染物的氧化分解#
(4)载流子的复合过程#游离的光生电子和光生空穴可以在半导体的内部发生复合反应"或者迁移至半导体的表面发生复合反应，复合反应发生的同时会释放出热能#
2光催化活性的影响因素
2.1催化剂
光催化的核心部分是光催化剂，催化剂活性更高，污水降解效率更好#光催化氧化的催化剂一般为6型半导体，目前已研究过的6型半导体包括TiO2、ZnO、C：S、WO3和Fe z O s等，其中TiO? 和ZnO的催化活性最好，但由于T8O2的化学性质更稳定，且无毒价廉、货源充足，被广泛应用叫
2.2催化剂晶体结构
半导体光催化剂的晶体结构对光催化活性的影响，主要体现在晶型、晶面%晶格间距和结晶度等的影响，某些催化剂可能由于其晶体自身性质的原因，能够产生一定的晶格缺陷，晶格缺陷既可以捕获光生电子或空穴，也可以作为载流子的复合中心,对半导体光催化材料具有两个方面的影响#
除此之外,同种催化剂,晶型不同，光催化活性也会不同#例如,TiO2晶体有金红石型、锐钛矿型和板钛矿型3种晶型，其中锐钛矿型T8O2化学性质较稳定,具有较大的比表面积，更容易吸附有机相和-O2",因此其光催化活性更高叽
2.3光源
光源是光催化反应的必要条件，光源的寿命、光强以及波长范围等都会影响其光催化活性#由于参与光催化反应的半导体
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材料不连续的能带结构，只有在一定能量的光照射下，才能激发
它的催化活性，因此在研究中常用高压汞灯、黑光灯、I灯和卤L灯等作为光催化反应的入射光源，可以较好地激发光催化材料的催化活性，达到实验效果#
2.4污染物浓度
由于-OH在水体中不能长时间存在，所以光催化氧化反应
需要催化剂与底物充分接触吸附后才能有效发生#光催化反应
速率与被处理的污染物的浓度存在一定关系，研究表明，在相同的操作条件下，不同的污水初始浓度完全矿化所需要的光照时间不一样#由于光催化过程中的光子特性的缘故，过高浓度的有机基质不仅会导致光催化剂表面呈现饱和状态，而且还会降低光子效率，从而导致光催化剂的失活#
2.5催化剂投加量
光催化反应主要发生在催化剂表面的活性位点上，因此在一定范围内增大催化剂的投加量，可以为底物提供更多的反应活性位点，从而达到产生更多的活性物质的目的，有利于提高光催化效率#
2.6光催化反应器
光催化反应器作为催化剂与污水系统的反应依托介质，其构型必然会对光催化反应产生一定影响#依照不同的催化剂负载形式，光催化水处理反应器构型一般可以分为两种主要的构型：悬浮型和负载型#悬浮态光催化反应器：单位体积下催化剂具有更高的比表面积，而且可以对催化剂的失活具有缓解作用,但是缺点是不利于催化剂的回收利用#负载型光催化反应器:催化剂可以连续循环使用，且操作易于控制，能够实现系统催化分离一体化#
3光催化技术的研究现状及展望
1972年,Fujishima和Honda两位科学家首次在光照条件下发现TiO2电极可以分解水制取氢气和氧气叭自此以后光催化技术逐渐被科学家们发现并发掘研究应用，目前光催化氧化技术已经在光催化降解、光催化制氢、光催化除臭和光催化环保涂料等各种领域得到了广泛应用冋#在光催化降解领域中，由于TiO2、ZnO和CIS等半导体材料催化性能的稳定性、且具有持久且无害等优点，在光催化研究初期深受科学家们的青睐，目前利用这些半导体光催化材料在降解水体中的有机污染物、还原重金属离子以及在气相体系中的催化降解有机、无机气体污染物等方向上已经取得了一定的进展#后来，由于光催化材料自身性质的因素(如光响应范围窄、活性及稳定性较差或光腐蚀现象等),限制了它们的进一步发展，因此对光催化材料进行一系列的改性成为光催化领域的另一个重要研究方向，常用的改性方法有形貌调控、负载助催化剂、元素掺杂和构筑异质结等#然而，光催化
技术同时也存在催化剂投加量大、回收困难、易团聚、易中毒失活、清洗困难，光生电子-空穴对无效复合率高，以及不能充分利用催化剂的氧化性能等问题，因此光催化氧化技术与其他技术的耦合技术应运而生，例如有光催化-膜分离耦合技术、光催化-生化耦合技术、光催化-电化学耦合技术、芬顿光催化氧化和臭氧光催化氧化等旧比
结语
环境问题已经成为当今社会下各个领域方向所必须要考虑的问题，它不单单关乎每个人的切身利益，更是人类社会发展不可或缺的重要方向之一，新时代下寻求一种经济高效、操作简便的水处理技术具有重要意义。

通过对光催化氧化技术基本原理、影响因素及发展现状等的介绍，充分体现光催化技术的优势及其发展潜力，光催化氧化技术逐渐发展成熟，相信在不久之后必定会为环境保护行业做出巨大的贡献#
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作者简介
杭子清(1988-),男，硕士研究生，主要从事固体废物环境管理、生态环境监测监控、环境影响评价等方面的研究和工作#
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