光催化材料在环境保护中的应用

光催化材料在环境保护中的应用

谭强150110115

摘要：光催化材料对于环境的保护有着深远的意义，近几年来，光催化降解污染物发展成为了一种节能、高效的绿色环保新技术。综述了光催化材料的反应机理和种类，阐述了影响光催化反应的条件和提高反应的效率等问题以及其在环保领域的应用，并提出了其今后的发展方向和前景的展望。同时又介绍了光催化材料的特点及发展历程，对光催化纳米材料在处理水污染、治理大气污染、控制噪声污染等方面的应用进行了综合性的评述。作为新功能材料，它也存在着一些局限性，例如：催化效率不高，催化剂产量不高，部分催化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。但是我们也应当看到它隐含的巨大发展潜力和市场利用价值，作为处理环境污染的一种方式，它凭借零二次污染，能源消耗为零，自发进行无需监控等一些优势必将居于污染控制的鳌头。

关键字：光催化材料应用催化效率环境保护

引言

光催化是半导体材料的独特性能之一 , 主要应用于环境保护方面。光催化材料是指通过该材料、在光的作用下发生的光化学反应所需的催化剂，世界上能作为光催化材料的有很多，包括二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。1972年Fujishima 等人发现了TiO2微粒经过光的照射能使水发生氧化还原反应并生成氢气，是光催化反应研究的开始。特别是在近年来由于日益严重的污染状况 , 有机物的光催化降解研究受到了非常大的重视。经过了近30年来的研究 ,特别是对光催化降解有机污染物的研究，使光催化在环境保护方面取得了比较大的进展。

由于经济的发展迅速，造成了环境的很大污染，迫使人们不断寻求方便快捷的处理污染的方法。通过不断研究，已发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米 TiO 来迅速降解。特别是在水中有机污染物浓度较低或者用其它方法很难降解时，该技术就更显示出其更明显的优势和价值。

1.光催化材料的反应机理

半导体粒子的能带结构通常是由一个低能的价带和高能的导带构成的。价带和导带之间成为禁带。相比较于金属 , 半导体粒子的能带之间是不连续的 ,一般来说半导体的禁带宽度小于 3eV。当用能量大于或等于禁带宽度的紫外光照射半导体时 ,会产生电子跃迁 ,价带电子被激发而越过禁带进入导带 ,于是形成了空穴电子对。吸附表面的水和氧气，反应生成了具有超强氧化性的羟基自由基 ,可诱发光化学反应。根据Richard 等用红外光谱等已经证明生成的羟基就是光催化氧化反应的关键，因此半导体光催化作用机理反应如下:

半导体光催化剂+ hv → h+ + e-

h+ + OHˉ→ ·OH

h+ + H2O → ·OH + H+

e- + O2→O2-

O2- + H+ →HO2·

2HO2·→O2+ H2O2

H2O2+ O2-→·OH + OHˉ+ O2

其中的·OH的氧化能力比较强 ,能对大部分有机污染物进行氧化分解，最终将

其降解为 CO

2、H

2

O等无害物质。·OH自由基有 402. 8 MJ/ mol 反应能 ,可以对

有机物中存在的 C—C、C—H、C—O、N—H键进行破坏 , 它具有高效的分解有机物的能力。因此光催化材料具有杀菌、除臭、光催化降解有机污染物等特性。由此可见它对环境的保护有很大的开发价值。

2.光催化材料的种类

当前作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO

2

),氧化锌(ZnO),氧化锡

(SnO

2),二氧化锆(ZrO

2

)，硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化

钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，而且实验研究表明 ,TiO

2

至少可以经历 12 次的重复使用而依旧保持光分解效率基本不变, 连续 580 min 光照下还保持其光洁性, 因此其有着广阔的应用前景，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。

2.1 TiO

2

结构及特点

二氧化钛，化学式为TiO

2

，俗称钛白粉，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。由于原子的排列方式不

同 , 二氧化钛共有三种结构形式 ,即金红石结构、板钛矿结构及锐钛矿结构。

由于结构不同 ,其性质自然也不相同，板钛矿在自然界中很稀有，性质也很不稳定，是一种亚稳相 , 因此极少被应用。现研究的大多是锐钛矿和金红石结构，其中以锐钛矿结构的催化活性最高。锐钛矿的结构不如金红石稳定，表面对 O

2的吸附能力比较强，电子空穴的复合率比金红石要慢，因此光催化能力比金红石

强。实验表明TiO

2

在 600 ℃时由锐钛矿型转化成金红石型，而按照一定的比例共存的锐钛矿和金红石型混晶催化活性高于两者。因此可通过控制转变温度 ,可以得到最佳的复配晶型 ,取得较高的光催化性能。

3.光催化材料在环境保护中的应用

3.1 在污水处理方面的应用

污水中通常都含有细菌病毒、悬浮物、泥沙、铁锈等污染物。传统的污水处理方法仅能处理一些浓度较低的污染物，而对浓度较高且难以转化的污染物的净化存在成本高、效率低、产生二次污染等问题，有时甚至无法处理，为此光催化纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题，使一些难降解的污染物转化为

H 0和 CO

2

等对环境无害的化合物。

3.1.1 工业废水的处理

大量研究表明，光催化纳米技术能将工业废水中存在的绝大多数的有机物转化为无机物。以太阳光为光源，可将氯仿、四氯化碳、氯代苯酚、氟里昂及有机

染料等有害物质转化为 H

2O和 CO

2

等无害物质。同样，纳米 TiO

2

可使水溶性染

料发生催化降解反应。研究结果表明，利用纳米 TiO

2

可催化降解废水中的防治

染料碱性红 18，处理后的废水染料的颜色基本退去，化学需氧量也大幅度降低，而且处理后的废水毒性很小，海洋生物在水中的死亡率显著降低。

3.1.2农业废水的处理

农业废水中含有的大量的重金属会对人体产生危害，同时也会造成资源的浪费。光催化纳米材料受激发后产生的电子和空穴可吸附高氧化态的Hg、Pt、Pb 等重金属，利用其产生的电子将重金属还原为细小的金属晶体沉积在催化剂的表

面。因此，利用纳米 TiO

2

的光催化技术即可减少农业废水中重金属的含量，又