太阳能光电催化降解有机污染物耦合制氢

选题背景
• 为了解决能源问题和环境问题 • 更好地充分利用太阳能，提高光催化分解水的效
率 • 探索高效、廉价的废水资源化处理的绿色处理技
术 • 探索合成高效、稳定的复合二氧化钛纳米管技术
• 同时，目前国内外所采用污水生化处理技术对一些难降解 的有机污染物仍然达不到彻底降解的目的。而利用太阳能 光电催化降解废水中的有机污染物，不但可以使废水中的 各种有机污染物彻底降解为H2O和CO2，同时也能够产生H2 ，高效地实现了从太阳能到氢能的转变。因此，把利用太 阳能来探求一种高效、廉价的污水处理资源化绿色技术已 成为当今水处理领域研究的热点。
• 光阳极
• 光强和反应物浓度的影响
• 光源波长、光强及光源几何位置对光电反应器氧化效率有 至关重要的影响。
• 材质
• 要保证光电催化氧化反应的顺利进行，光电反应器的材质 必须透光性能好，尤其是对催化反应所需波长范围的光。 大多情况下人们选用石英玻璃，因为石英玻璃是高纯单组 分玻璃，具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，而且石英玻 璃在紫外到红外整个光谱波段都有优良的透光性能。
• 本课题研究制备二氧化钛纳米管，并将其进行修饰改 性，合成高效稳定的纳米复合材料。这种材料能够充 分利用太阳光中的紫外光和可见光，同时也能够最大 限度地吸附有机污染物，为实现有效降解有机污染物 同时大量产氢奠定坚实的基础。
• 寻找高效，廉价的废水处理资源化技术已经成为当今 水处理领域的一个热点，也是将来水处理领域的一个 主要发展方向。本课题针对有机废水未能有效资源化 治理和充分利用太阳能，探索以太阳能为驱动力的新 型TiO2 纳米管材料光电催化降解有机污染物同时产氢 的新方法，阐明产氢去污的耦合机制和典型污染物降 解机理。这对于缓解水环境污染和能源短缺问题，促 进经济社会可持续发展，具有重要的研究价值和现实 意义。
2.3 光电催化反应器研究
• 新型高效光催化反应器的设计在提高光子、光催化剂、牺 牲剂的有效结合方面起着至关重要的作用。因此，必须设 计和加工新型光催化反应器,强化固、液、气三相传质，高 效稳定且经济适用的光电催化反应器，决定着光电催化技 术在污水处理资源化中的实际应用。
2.3 光电催化技术的发展情况
• 光催化技术在污水处理方面的实际应用还存在一些不足的 方面。第一，量子效率低，单存二氧化钛光催化剂的光生 电子-空穴对的再复合率高，光催化性能不突出。较低的 光量子效率很大程度上限制了光催化技术在废水处理领域 的规模化应用。第二，纯二氧化钛的光谱响应范围窄，只 能利用占太阳涉频范围4%的紫外光部分，对太阳能的有效 利用率低。第三，光催化技术在污水处理中降解有机污染 物而产生的中间产物的复杂性在一定程度上限制了光催化 技术的工业化应用。
2 研究现状
• 光电催化的基本原理和特点 • 纳米TiO2颗粒有良好的量子效应，其禁带宽Baidu Nhomakorabea(Eg )为3. 2 e
V，波长小于387 nm的紫外光照射后，价带(VB )的电子吸 收光子的能量被激发到导带(CB) 。在导带、价带分别产生 光生电子和空穴，这些载流子易复合而释放光或热，没有 复合的光生电子和空穴使TiO2表现出光催化性能。 • Ti02+hv e—+h+ (l一l) • e—+h+ 光或热 (l一2)
太阳能光电催化降解有机污 染物耦合制氢技术研究
李运林 2010.03.06
• 选题背景； • 研究现状； • 研究内容和方法； • 技术路线； • 创新点与关键问题； • 可行性分析； • 课题研究进度安排； • 参考文献；
1 选题背景
• 太阳能光解水制氢是利用太阳光的能量,在催化剂的作用下 分解水产生氢气，氢作为能源使用后又回到水的形态,达到 完全的可持续开发和利用。同时，氢是一种具有高燃烧值 、高效率和清洁的能源。氢作为清洁能源有效使用后又回 到水的形态，达到完全的可持续开发利用的目的。因此， 利用太阳能和电能共同作用废水制氢，是21世纪人类从根 本上解决能源问题的有效途径。许多有机物是很好的电子 给体,能显著提高光催化分解水放氢的效率。如果利用废水 中的有机污染物可以作为电子给体进行光催化分解水制氢, 则有机废物被氧化降解的同时水被还原产生氢,既节省制氢 成本, 又去除污染。但由于直接光催化分解废水制氢的效 率比较低，大大限制了其实际应用。大多数的光催化剂需 要加入电子供体来抑制光生电子和空穴的复合以及氢和氧 的逆反应,从而获得产氢。电子供体的加入还可以促进催化 剂的结构稳定而不易失活。
• 光催化剂的改性
• 光生空穴因具有极强的得电子能力，因而具有很强的氧化 能力，可夺取半导体表面吸附的有机物溶剂中的电子，使 原本不吸收光的物质被活化、氧化。光生电子则具有很强 的还原能力，可将半导体表面吸附的电子受体还原。光生 空穴h+可以直接将吸附的分子氧化，也可以先将吸附在Ti O基2表心面H，的而O.HO一H自和由H2基O分再子进氧一化步成将氧吸化附能的力分更子强氧的化轻，基而自二由者 也可同时起作用。介质中吸附在催化剂表面的污染物分子 遇到光生空穴或氧化性很强的.OH，就被氧化而发生光降 解；光催化产氢则是吸附在催化剂表面的H+被迁移到催化 剂物表和面产的氢光的生双电重子目还的原。成H2。这样可以同时起到降解污染
• H20+h+ H++.OH (1-3) • OH一+h+ .OH (1-4)
2.2 光电催化过程的影响因素
• 外加电压 • 外加阳极偏压能提高TiO2/Ti薄膜电极的光催化活性,外加阳
极偏压能使TiO2的能带弯曲增大, 减少了电子与空穴的简单 复合, 促进了光生载流子的分离, 增加了空穴和羟基自由基 的数量, 所以，随阳极偏压的逐渐增大, 光电流和光催化降 解速率不断增大。 • pH的影响 • 一般认为，改变pH值将改变溶液中二氧化钛界面电荷性质 ，进而影响电解质在二氧化钛表面上的吸附行为。有关研 究发现，在不同的pH值条件下，二氧化钛电极有不同的伏 安特性。溶液的初始pH值不但决定了催化剂性质和伏安特 性外还导致不同的光电催化降解机理。