TiO2光催化氧化技术
二氧化钛光催化原理
TiO 2光催化氧化机理TiO 2属于一种n 型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev （锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm 的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e -）;而价带中则相应地形成光生空穴(h +)，如图1-1所示。
如果把分散在溶液中的每一颗TiO 2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO 2表面不同的位置。
TiO 2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h +则可氧化吸附于TiO 2表面的有机物或先把吸附在TiO 2表面的OH -和H 2O 分子氧化成 ·OH 自由基，·OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO 2和H 2O 等无害物质。
反应过程如下：反应过程如下：TiO 2 + hv → h + +e - (3) h + +e - → 热能 （4）h + + OH- →·OH (5) h + + H 2O →·OH + H + (6)e- +O 2 → O 2- （7） O 2 + H+ → HO 2· (8)2 H 2O ·→ O 2 + H 2O 2 (9) H 2O 2 + O 2 →·OH + H + + O 2 (10)·OH + dye →···→ CO 2 + H 2O (11)H + + dye →···→ CO 2 + H 2O (12) 由机理反应可知,TiO 2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。
Ti02光催化氧化的影响因素1、 试剂的制备方法常用Ti02光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。
不同方法制得的Ti02粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。
光催化氧化实验原理
光催化氧化实验原理光催化氧化实验的主要原理是光催化剂吸收光能并在表面产生活性氧物种。
光催化剂通常由半导体材料制成，最常用的是二氧化钛（TiO2）。
在光照条件下，光催化剂吸收光子能量，激发电子从价带跃迁到导带，形成带正电荷的空穴（h＋）和自由电子（e－）。
空穴是一种强氧化剂，具有氧化还原能力。
它可以通过和水或羟基（─OH）基团反应，生成羟基自由基（•OH）。
羟基自由基是一种非常活跃的氧化剂，可以氧化有机物质中的有机基团，将其转化为无害的物质。
与此同时，光催化剂的导带上的自由电子也可以与氧分子结合，形成活性氧种的超氧自由基（•O2－），进一步氧化有机污染物。
除了二氧化钛，还有其他的光催化剂可用于光催化氧化实验，如氧化锌、二氧化锌、二氧化硅等。
它们的原理与二氧化钛类似，都是通过光激发氧化剂产生活性氧物种，实现有机污染物的氧化。
1.准备实验设备和原料。
实验设备包括光催化反应器、光源、溶液容器等。
原料包括光催化剂和待处理的有机污染物。
2.将光催化剂溶解在适当的溶液中，形成光催化溶液。
通常使用水作为溶剂。
3.将待处理的有机污染物加入光催化溶液中，使其与催化剂充分接触。
4.开始光照反应。
将反应体系置于光源下，利用光催化剂吸收光能，产生活性氧物种对有机污染物进行氧化。
5.反应结束后，将反应液离心或过滤，分离出光催化剂和氧化产物。
6.对产物进行分析和检测，确定有机污染物的去除效果。
需要注意的是，在进行光催化氧化实验时，应选择合适的光照条件、光催化剂浓度、反应时间等，以获得最佳的氧化效果。
同时，还需要对实验前后的水质进行监测，以评估光催化氧化技术对水质的影响。
总之，光催化氧化实验利用光催化剂在光照条件下产生活性氧物种，将有机污染物转化为无害的物质。
它的原理是光催化剂吸收光能，产生活性氧物种对有机污染物进行氧化。
光催化氧化实验可以通过控制实验条件和分析产物，评估和研究光催化氧化技术在环境治理中的应用潜力。
经典-光催化氧化
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• TiO2光催化技术也被用于无机污染物的处 理。
• TiO2光催化可能降解的无机污染物还有氰 化物，SO2、H2S、NO和NO2等有害气体 也能被吸附在TiO2表面，在光的作用下转 化成无毒无害物质。
TiO2光催化法应用事例：空气净化
• 降解有机物的最终产物是CO2和H2O，没有其它 毒副产物出现，不会造成二次污染；
• 此外，纳米TiO2在降解毛纺染料废水、有 机溴（或磷）杀虫剂等到方面也有一定效 果。
反应过程：废水中的Cr6＋具有较强的致癌 作用，在酸性条件下，TiO2对Cr6＋具有明 显的光催化还原作用。在pH 值为2.5的体系 中，光照1h 后，Cr6＋被还原为Cr3＋ 。还 原效率高达85% 。
Байду номын сангаас
TiO2光催化技术在水处理中存在的问题
研究表明：将TiO2涂覆在陶瓷、玻璃表 面，经室内荧光灯照射1小时后可将其表 面99％的大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色
葡萄球菌等杀死。
TiO2光催化法的前景
• 利用纳米光催化TiO2治理空气污染已经得到广泛 应用，国内外都出现了很多产品，市场前景非常 广阔。
• 传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污 染等问题，污水治理一直得不到好的解决。纳米 技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。
光催化法
光催化氧化：
光催化氧化是一种高级氧化（AOPs）技 术，主要是利用现代科技手段、结合环境工 程学、生物学、力学、光学等多门科学的尖 端技术集成而生产，是针对高浓度、难降解 有机废水的处理而开发的新型水处理技术。
tio2光催化氧化技术
tio2光催化氧化技术文章标题：TIO2光催化氧化技术：从原理到应用的逐步解析引言：TIO2光催化氧化技术是一种通过利用钛白粉(TiO2)在紫外光照射下产生的催化作用来降解及去除有害物质的环境治理技术。
该技术具有高效、无污染、自洁性等优点，因而在空气净化、水处理、有机废弃物处理等领域展现出广阔的应用前景。
本文将从原理、催化剂的制备、反应条件的优化以及应用领域四个方面逐步解析TIO2光催化氧化技术的实施过程。
第一部分：原理的解析TIO2光催化氧化技术的核心原理是光催化效应。
当钛白粉受到紫外光照射时，导带上的电子被激发到价带上，形成电子空穴对。
电子空穴对之间的迁移与它们与溶液中有机污染物之间的氧化反应同时发生。
TIO2表面吸附的有机污染物在电子空穴对的作用下，经历一连串的氧化反应，最终转化为无害的物质。
催化剂的选择和制备工艺是实现高效光催化氧化的关键。
第二部分：催化剂的制备催化剂的制备包括物理法、化学法和物理化学方法。
物理法主要是利用物理能量引起物料结构的改变，如溅射法等；化学法通常是通过溶液反应合成催化剂，如溶胶-凝胶法、水热法等；而物理化学方法则是将物理和化学方法结合使用，如浸渍法、气相法等。
不同的制备方法将导致催化剂的物理和化学性质产生差异，进而影响催化效果。
第三部分：反应条件的优化反应条件的优化在TIO2光催化氧化技术中至关重要。
反应条件包括溶液pH值、催化剂浓度、反应温度、光照强度等。
适当调节反应条件可以提高光催化效果。
例如，适当增加溶液pH值有助于提高催化效果，而过高的催化剂浓度可能导致催化剂之间的覆盖效应，从而减缓反应速率。
反应温度的升高可以加快有机废物的降解速度，但过高的温度可能对催化剂的稳定性产生不利影响。
第四部分：应用领域的探索TIO2光催化氧化技术在空气净化、水处理以及有机废弃物处理等领域均有广泛应用。
在空气净化方面，TIO2催化剂可用于去除大气中的有机污染物和臭氧；在水处理方面，通过TIO2光催化氧化技术可以降解废水中的有机物、重金属离子等；在有机废弃物处理方面，利用TIO2光催化氧化技术可以有效降解有害物质。
二氧化钛光催化技术在污水处理领域中应用
二氧化钛光催化技术在污水处理领域中应用二氧化钛光催化技术在污水处理领域中的应用引言随着工业的发展和人口数量的增加，污水处理成为了一个日益重要和紧迫的问题。
传统的污水处理方法存在着一些问题，如工艺复杂、处理效果差、成本高等。
因此，我们需要寻找一种更为高效和经济的污水处理技术。
二氧化钛光催化技术是近年来发展起来的一种新型污水处理技术。
该技术利用了二氧化钛的强大的光催化性能，能够将有害污染物转化为无害物质。
本文将以二氧化钛光催化技术在污水处理领域中的应用为中心，综述该技术的原理、关键技术和应用案例。
一、二氧化钛光催化技术的原理1.1 光催化原理光催化是指在光照的作用下，通过光生电荷对物质进行催化反应。
二氧化钛具有较大的能带间隙和良好的光吸收能力，在紫外光照射下，二氧化钛表面产生电子和空穴对，形成电荷对。
这些电子和空穴对能够参与不同的反应，从而实现有机污染物的降解和氧化。
1.2 光催化材料选择与制备二氧化钛的晶型和表面结构对光催化反应具有重要影响。
常见的二氧化钛晶型有锐钛矿型和金红石型，其中锐钛矿型TiO2的光催化活性更高。
制备二氧化钛光催化材料的方法主要包括水热法、溶胶-凝胶法、气相沉积法等，其中水热法制备的二氧化钛颗粒具有较好的光催化性能。
二、二氧化钛光催化技术在污水处理中的关键技术2.1 光源选择与辐照条件控制二氧化钛光催化技术需要紫外光激发二氧化钛表面的电子和空穴对，因此选择适合的光源非常重要。
传统的光源有氙灯、汞灯等，不过这些光源有功耗大、寿命短等问题。
近年来，LED光源得到了广泛应用，能够提供稳定、可调节的紫外光，是二氧化钛光催化技术的理想光源。
2.2 二氧化钛载体设计与制备为了提高二氧化钛的光催化性能，可以将二氧化钛负载在一些载体上，形成复合光催化材料。
常用的载体材料有氧化铁、活性炭等。
此外，调控二氧化钛的纳米结构也是提高光催化性能的关键。
可以通过pH调节、加入表面活性剂等方法实现纳米结构的调控。
二氧化钛光催化原理
二氧化钛光催化原理二氧化钛光催化技术是一种新型的环境治理技术，它利用二氧化钛在紫外光的照射下产生的活性氧物种，来分解有机物和无机物，从而达到净化空气和水的目的。
二氧化钛光催化技术在环境治理领域有着广泛的应用前景，因此对其光催化原理的深入研究具有重要意义。
二氧化钛光催化的原理主要包括光生电子空穴对、活性氧物种的产生和有机物降解三个方面。
首先，当二氧化钛暴露在紫外光下时，其价带内的电子会被激发到导带，形成光生电子空穴对。
这些电子和空穴具有很高的迁移率，能够快速在二氧化钛表面扩散。
在表面吸附的氧分子与光生电子结合形成活性氧物种，而空穴则与水分子结合生成羟基自由基。
这些活性氧物种和羟基自由基具有很强的氧化能力，能够氧化附近的有机物分子。
其次，活性氧物种的产生是二氧化钛光催化过程中的关键步骤。
活性氧物种主要包括超氧阴离子、羟基自由基和过氧化氢等。
这些活性氧物种具有很强的氧化能力，能够氧化附近的有机物分子，将其分解成小分子或无害物质。
最后，二氧化钛光催化能够通过活性氧物种的作用，将有机物降解为二氧化碳和水。
这种光催化降解有机物的过程是一个自净化的过程，能够高效地净化环境中的有机污染物。
总的来说，二氧化钛光催化原理是通过光生电子空穴对的产生、活性氧物种的产生和有机物降解三个步骤来实现的。
这种原理不仅适用于空气中有机物的光催化降解，还适用于水中有机物的光催化降解。
因此，二氧化钛光催化技术在环境治理领域有着广泛的应用前景。
总的来说，二氧化钛光催化原理是通过光生电子空穴对的产生、活性氧物种的产生和有机物降解三个步骤来实现的。
这种原理不仅适用于空气中有机物的光催化降解，还适用于水中有机物的光催化降解。
因此，二氧化钛光催化技术在环境治理领域有着广泛的应用前景。
二氧化钛光催化原理
TiO 2光催化氧化机理TiO 2属于一种n 型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev （锐钛矿），当它受到波长小 于或等于387.5nm 的光（紫外光）照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至 导带，形成光生电子（e ）图1T Tift 光电效应示意图diagram of photo&lectric transfer effect on TiQ如果把分散在溶液中的每一颗TiO 2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池， 则光 电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到 TiO 2表面不同的位置。
TiO 2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴 h +则可氧化吸 附于TiO 2表面的有机物或先把吸附在TiO 2表面的OH 和口H 2C 分子氧化成-OHl 由基，・OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染 物，将其矿化为无机小分子、 反应过程如下： 反应过程如下：由机理反应可知,TiO 2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。
Ti0 2光催化氧化的影响因素1、试剂的制备方法常用Ti0 2光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。
不同方法制 得的Ti0 2粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。
同时在制备过程中有无复合，有 无掺杂等对光降解也有影响。
Ti0 2的制备方法在许多文献上都有详细的报道， 这里 ；而价带中则相应地形成光生空穴（h +），如图1-1所示。
F IR . 1-1. Schematic + -TiO 2 + hv T h +e (3) + - h +e — ＞热能 (4) + h + OH- T OH (5)+ h + H 20 T + OH + H (6) e- +O 2 T 02 (7)O 2 + H+ T HO 2 - (8) 2 H 2O T O 2 + H 2O 2 (9) H 2O 2 + 02 + T OH + H + 02 (10)CO 和HO 等无害物(11) (12)OH + dye - -• CO 2 + H 2OH + dye T — CO 2 + H 2O就不再赘述。
二氧化钛做光催化剂的原理
二氧化钛做光催化剂的原理
二氧化钛（TiO2）是一种常用的光催化剂，它在可见光和紫外光照射下能够催化许多化学反应。
其主要原理是通过光生电荷对的形成和利用来促进化学反应。
当二氧化钛暴露在光照下时，其电子从价带（valence band）被光激发到导带（conduction band），形成带隙电荷对（electron-hole pair）。
导带中的电子和价带中的空穴（electron-hole）分别具有不同的氧化还原性质，可以参与氧化还原反应。
首先，光照下的二氧化钛表面吸附氧分子（O2）并将其催化分解为氧化物阴离子（O2-）。
此过程生成的自由电子可以从导带中转移到表面的吸附氧分子上，形成氧化物阴离子。
同时，生成的空穴也可在材料内部进行传导。
其次，已经吸附在二氧化钛表面或溶于液相中的有机物可以被光激发的电子和空穴进行氧化和还原反应。
光生的电子和空穴可与有机物发生直接的或间接的反应。
在间接反应中，电子和空穴分别与溶液中存在的氧和水分子发生反应，生成具有氧化或还原能力的活性氧种和氢氧离子。
这些活性氧种和氢氧离子可以氧化和降解有机污染物。
总的来说，二氧化钛作为光催化剂的原理是通过吸收光能产生电子和空穴对，并利用这些电子和空穴对参与化学反应。
这种光催化作用可以用于水处理、空气净
化、光电转换等领域，具有潜在的环境和能源应用价值。
《TiO2光催化处理水中难降解有机污染物及环境风险研究》
《TiO2光催化处理水中难降解有机污染物及环境风险研究》篇一一、引言随着工业化的快速发展，难降解有机污染物（如染料、农药等）在水中不断积累，给环境和人类健康带来了严重的威胁。
传统的水处理技术如物理吸附、生物降解等方法对这类有机污染物的处理效果有限。
因此，开发高效、环保的污水处理技术成为当前研究的热点。
TiO2光催化技术因其高效、无二次污染等优点，被广泛应用于处理难降解有机污染物。
本文将探讨TiO2光催化处理水中难降解有机污染物的效果及可能存在的环境风险。
二、TiO2光催化技术概述TiO2光催化技术是一种利用光激发TiO2产生电子-空穴对，进而与水中的有机污染物发生氧化还原反应的技术。
TiO2具有较高的化学稳定性、无毒、成本低等优点，在可见光和紫外光的照射下均能表现出良好的光催化性能。
该技术可将有机污染物分解为小分子化合物，最终转化为无害物质，实现污染物的降解和水的净化。
三、TiO2光催化处理难降解有机污染物1. 处理效果：研究表明，TiO2光催化技术对多种难降解有机污染物均具有较好的处理效果。
如染料、农药等有机污染物在TiO2光催化作用下，能够迅速被降解为小分子物质，甚至完全矿化为CO2和H2O。
此外，该技术还能有效去除水中的重金属离子和其他有毒物质。
2. 影响因素：TiO2光催化的效果受多种因素影响，如光照强度、pH值、催化剂浓度等。
适当调整这些因素可提高光催化效率。
此外，催化剂的制备方法、粒径大小等也会影响其光催化性能。
四、环境风险研究1. 安全性：TiO2光催化技术作为一种环保的水处理方法，其产生的二次污染较少。
但在实际应用中，仍需关注催化剂的脱落和流失问题，以防止其对环境和生态造成潜在的危害。
2. 生态风险：尽管TiO2光催化技术能有效降解水中的有机污染物，但在处理过程中可能产生一些中间产物，如自由基等。
这些中间产物可能对水生生物产生一定的毒性，从而对生态环境造成潜在的风险。
因此，在应用TiO2光催化技术时，需关注其生态风险评估和监测。
二氧化钛作为光催化剂的研究
二氧化钛光催化剂的研究进展1972年，A.Fujishima 等首次发现在光电池中受辐射的TiO2，表面能持续发生水的氧化还原反应，这一发现揭开了光催化材料研究和应用的序幕。
1976年J.H.Carey等报道了TiO2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯。
S.N.Frank等也于1977年用TiO2粉末光催化降解了含CN-的溶液。
由此，开始了TiO2光催化技术在环保领域的应用研究，继而引起了污水治理方面的技术革命。
近十几年来，随着社会的发展和人们对环境保护的觉醒，纳米级半导体光催化材料的研究引起了国内外物理、化学、材料和环境等领域科学家的广泛关注，成为最活跃的研究领域之一一。
TiO2是一种重要的无机材料，其具有较高的折光系数和稳定的物理化学性能。
以TiO2做光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术越来越受到人们的关注，被广泛地用来光解水、杀菌和制备太阳能敏化电池等。
特别是在环境保护方面，TiO2作为光催化剂更是展现了广阔的应用前景。
但TiO2的禁带宽度是3.2eV，需要能量大于3.2eV的紫外光（波长小于380nm）才能使其激发产生光生电子-空穴对，因此对可见光的响应低，导致太阳能利用率低（只利用约3〜5%勺紫外光部分）。
同时光生电子和光生空穴的快速复合大大降低了TiO2光催化的量子效率，直接影响到TiO2光催化剂的催化活性。
因此，提高光催化剂的量子效率和光催化活性成为光催化研究的核心内容。
通过科学工作者对二氧化钛的物质结构、制备方法、催化性能、催化机理等方面的深入系统的研究，这种快速高效、性能稳定、无毒无害的新型光催化材料在废水处理、有害气体净化、卫生保健、建筑物材料、纺织品、涂料、军事、太阳能贮存与转换以及光化学合成等领域得到了广泛应用。
1 TiO2光催化作用机理“光催化”从字面意思看，似乎是指反应中光作为催化剂参加反应，然而事实并非如此。
光子本身是一种反应物质，在反应过程中被消耗掉了，真正扮演催化剂角色的却是TiO2。
氧化钛的光催化过程机理
氧化钛的光催化过程机理氧化钛（TiO2）作为一种重要的光催化材料，具有广泛的应用潜力。
其光催化过程机理涉及到光激发产生的光生电子和光生空穴的对分离、纳米结构的表面化学反应以及吸附气体分子的活化等多个步骤。
首先，在光照条件下，TiO2表面吸收光子能量，产生激发态电子（e^-）和空穴（h^+）。
这种激发可以通过两种方式进行，一种是直接吸收光能激发，另一种是通过掺杂添加一些金属离子等能量助剂来增强吸光能力。
其中，直接吸收光能激发是最常见的方式，也是最为广泛研究的光激发方式。
接着，产生的激发态电子和空穴会被TiO2表面的离散电子态和电荷缺陷等能级所吸引，形成电子-空穴对（e^-/h^+）。
光生电子具有较长的寿命，可以在材料中自由传导，而光生空穴则容易逃逸到材料表面。
光催化过程中，产生的光生电子和光生空穴起到了重要的作用。
光生电子能够与氧分子（O2）或氧化性有机物（如甲醛等）发生直接还原反应，产生活性氧物种（如·OH、·O2^-等）。
这些活性氧物种具有很强的氧化能力，可以降解有机污染物。
此外，光生电子还可以在材料表面与金属催化剂等活性位点相互作用发生反应，进一步提高光催化性能。
而光生空穴则能够与水分子（H2O）或氧化性有机物发生直接氧化反应，生成羟基离子（·OH）或过氧化物根离子（·O2^-）。
这些活性氧物种也具有强的氧化能力，可以氧化有机污染物，促使其降解。
此外，氧化钛表面的纳米结构和表面缺陷也对光催化反应起到了重要的作用。
纳米结构具有大比表面积，有利于有害物质的吸附和分解。
表面缺陷则可以提供更多的活性位点，增强光生载流子对的分离效率。
总结起来，氧化钛的光催化过程机理主要涉及到：光子能量的吸收和电子-空穴对的形成、光生电子和光生空穴的反应区域选择性、活性氧物种的生成和有机污染物的分解等多个步骤。
对于氧化钛的光催化性能的改进，需要在材料的微观结构和表面性质、光吸收能力等方面进行进一步研究和优化，以实现更高效的光催化应用。
tio2光催化原理
tio2光催化原理
TiO2光催化作用是指利用二氧化钛（TiO2）作为催化剂，在
紫外光或可见光照射下，产生光生电子和光生空穴，从而产生一系列光化学反应的过程。
具体的光催化原理如下：
1. 紫外光或可见光照射下，TiO2表面的价带顶部电子会被能
级较高的光子激发，从价带向导带跃迁，形成光生电子，同时产生光生空穴。
2. 光生电子具有很高的还原能力，可与氧气或水中的氧还原剂发生反应，从而产生氢氧离子或超氧自由基等活性氧物种。
3. 光生空穴则具有很高的氧化能力，能与水中的水分子发生反应，产生羟基自由基（•OH），这是一种强氧化剂，可对有机
污染物进行氧化降解。
4. 光生电子和光生空穴还会在TiO2表面进行寿命较短的复合
反应，产生一系列高级氧化物种（如过氧化氢、过氧硫酸根离子等），进而参与光化学反应。
5. 这些高级氧化物种可与有机污染物发生氧化、光降解等反应，将有机污染物分解为无害的小分子或低毒化合物，从而起到净化水和空气环境的作用。
通过控制光照强度、催化剂的类型和剂量、溶液pH值等条件，可以调节TiO2光催化反应的速率和效果。
此外，TiO2光催化
也具有无需添加外部化学试剂、操作简单、无二次污染等优点，因此在环境净化、光催化降解有机废水、大气污染治理等方面具有广泛的应用前景。
《2024年工业废水处理中纳米TiO2光催化技术的应用》范文
《工业废水处理中纳米TiO2光催化技术的应用》篇一一、引言随着工业化的快速发展，工业废水排放量日益增加，其中含有大量的有毒、有害物质，对环境和人类健康造成了严重威胁。
传统的废水处理方法往往存在处理效率低、易产生二次污染等问题。
因此，寻求一种高效、环保的废水处理方法显得尤为重要。
纳米TiO2光催化技术作为一种新兴的环保技术，在工业废水处理中得到了广泛应用。
本文将重点探讨工业废水处理中纳米TiO2光催化技术的应用。
二、纳米TiO2光催化技术概述纳米TiO2光催化技术是一种利用纳米级二氧化钛（TiO2）在光照条件下催化降解有机污染物的技术。
TiO2具有高催化活性、无毒、成本低等优点，被广泛应用于废水处理、空气净化、自清洁材料等领域。
在光照条件下，TiO2能够吸收光能，产生电子-空穴对，进而与水、氧气等发生反应，产生具有强氧化性的羟基自由基（·OH），能够无选择性地降解有机污染物。
三、工业废水处理中纳米TiO2光催化技术的应用1. 反应原理在工业废水处理中，纳米TiO2光催化技术主要通过光催化氧化还原反应来降解废水中的有机污染物。
具体过程为：当TiO2受到光照时，其表面的电子被激发，跃迁到表面吸附的氧分子上，形成超氧离子自由基（·O2-）。
同时， TiO2表面的空穴能够与水分子发生反应，生成·OH。
这些自由基和·OH具有极强的氧化能力，能够将有机污染物降解为低毒或无毒的小分子物质，甚至最终矿化为CO2和H2O。
2. 应用领域（1）染料废水处理：染料废水中含有大量的有机染料，难以通过传统方法处理。
纳米TiO2光催化技术能够有效降解染料废水中的有机染料，具有良好的脱色效果和矿化能力。
（2）石油化工废水处理：石油化工废水中含有大量的烃类、芳香烃等有机物。
纳米TiO2光催化技术能够有效降解这些有机物，降低废水中的化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）。
（3）制药废水处理：制药废水中含有大量的难降解有机物和有毒物质。
光催化氧化技术在水处理中的应用
光催化氧化技术及其在水处理中旳应用摘要: 简介了光催化氧化旳机理及光催化氧化反应旳重要影响原因, 就TiO2固定化制备、改性、光催化氧化在工业废水以及饮用水处理中旳应用进行了论述。
关键词: 光催化氧化Ti02光催化剂水处理1 引言光催化氧化法是近二十年才出现旳水处理技术, 1972年, Fu—jishima和Honda报道了在光电池中光辐射Ti02可持续发生水旳氧化还原反应, 标志着光催化氧化水处理时代旳开始。
1976年, Carey等在光催化降解水中污染物方面进行了开拓性旳工作。
光催化技术具有反应条件温和、能耗低、操作简便、能矿化绝大多数有机物、可减少二次污染及可以用太阳光作为反应光源等突出长处[1], 在难降解有机物、水体微污染等处理中具有其他老式水处理工艺所无法比拟旳优势, 是一种极具发展前途旳水处理技术, 对太阳能旳运用和环境保护有着重大意义。
2 光催化氧化原理光催化氧化还原以n型半导体为催化剂, 如TiO2.ZnO、Fe2O3.SnO2.WO3等。
TiO2由于化学性质和光化学性质均十分稳定, 且无毒价廉, 货源充足, 因此光催化氧化还原清除污染物一般以TiO2作为光催化剂。
光催化剂氧化还原机理重要是催化剂受光照射, 吸取光能, 发生电子跃迁, 生成“电子—空穴”对, 对吸附于表面旳污染物, 直接进行氧化还原, 或氧化表面吸附旳羟基OH-, 生成强氧化性旳羟基自由基（OH）将污染物氧化[2]。
当用光照射半导体光催化剂时, 假如光子旳能量高于半导体旳禁带宽度,则半导体旳价带电子从价带跃迁到导带, 产生光致电子和空穴。
水溶液中旳OH- 、水分子及有机物均可以充当光致空穴旳俘获剂, 详细旳反应机理[3]如下（以TiO2为例）:TiO2 + hν→h+ + eh++ e- →热量H2O →OH- + H+h+ + OH-→OHh+ + H2O + O2- →·OH + H+ + O2-h+ + H2O →·OH + H+e- + O2 →O2-O2- + H+ →HO2·2 HO2·→O2 + H2O2H2O2 + O2- →OH + OH- + O2H2O2 + hν→2 OHMn+(金属离子) + ne+ →M3 光催化氧化反应旳重要影响原因3.1催化剂性质及用量可用于光催化氧化旳催化剂大多是金属氧化物或硫化物等半导体材料, 如TiO2.ZnO、CeO2.CdS、ZnS等.在众多光催化剂中, Ti02是目前公认旳最有效旳半导体催化剂, 其特点有：化学性质稳定, 能有效吸取太阳光谱中弱紫外辐射部分, 氧化还原性极强, 耐酸碱和光化学腐蚀, 价廉无毒, 本文重要简介TiO2。
二氧化钛光催化技术介绍
纳米二氧化缺光催化技荷介^纳米光催化探用二氧化金太(TiO2)半^髓的效鹿启攵勤材料表面吸附氧和水分，走生活性氢氧自由基(OH.)和超氧陪雕子自由基(02-), ^而^化舄一希重具有安全化孥能的活性物筲起到碳化降解璞境污染物和抑菌杀殳菌的作用。
纳米二氧化金太(TiO2)光催化利用自然光即可催化分解^菌和污染物，具有高催化活性、良好的化孥穗定性、照二次污染、照刺激性、安全照毒等特黑占，且能畏期有益於生熊自然璞境，是最具有^畿前景的^色璞保催化蒯之一。
然毒害的纳米TiO2催化材料，充分畿撞抗菌、降解有^污染物、除臭、自浮化的功能，是^璞保型功能材料^施方便、雁用性弓鱼，能^ 用到生活空^的多重埸合，畿撞其多功能效废，成舄我仍生活璞境中起畏期浮化作用的璞保材料。
光催化原理-什麽是光催化光催化［Photocatalyst ］是光［Photo二Light］ +催化蒯［catalyst］的合成羞司。
主要成分是二氧化金太（Ti02）,二氧化金太本身照毒照害，已腐泛用於食品，髻桑，化片攵品等各希重令臭域。
光催化在光的照射下畲走生^似光合作用的光催化反雁（氧化-遢原反雁，走生出氧化能力桎弓鱼的自由氢氧基和活性氧，是些走物可^M^菌和分解有檄污染物。
亚且把有檄污染物分解成照污染的水（H20）和二氧化碳（C02）,同畤它具有杀殳菌、除臭、防汗、^水、防紫外^泉等功能。
光催化在微弱的光%泉下也能做反底若在紫外#泉的照射下光催化的活性畲加逾近来，光催化被餐舄未来走棠之一的纳米技彳桁走品。
-光催化反雁原理TiO2富吸收光能量之彳爰，僵带中的雷子就畲被激畿到^带，形成带^雷的高活性雷子e-,同畤在僵带上走生带正雷的空穴h+。
在雷埸的作用下，雷子典空穴畿生分雕，暹移到粒子表面的不同位置。
熟力孥理言禽表明，分怖在表面的h+可以将吸附在TiO2表面OH-和H2O 分子氧化成（OH.）自由基,而OH.自由基的氧化能力是水髓中存在的氧化蒯中最弓鱼的，能氧化亚分解各重有^污染物（甲醛、苯、TVOC等）和^菌及部分照檄污染物（氨、NOX 等），亚将最^降解舄CO2、H2O 等照害物鼻由於OH自由基封反废物^乎MB®性，因而在光催化中起著〉夬定性的作用。
TiO2光催化氧化污水处理技术的研究进展
的 水 处 理 新技 术被 研 究 者 广 泛 关 注 论 文 对 Ｔｉ ｏ， 光 催 化
氧 化 水 处理 技 术 在 悬 浮 式 光催 化 氧 化 和 负载 式 光 催 化 氧 化 方 法 中光催 化 剂 、 光 催 化 氧 化 反 应 器 和 光 能 利 用三 要 素
的研 究进 展 进 行 了总 结和 评 述 ： 在 分 析 其 各 自优 缺 点 的基
ｓ ｅ ｍ ｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ［ Ｊ ］ ． Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ， １ ９ ７ ２ ， ２ ３ ８ （ ５ ３ — ５ ８ ） ： ３ ７ — ３ ８ ．
Ｔ ｉ Ｏ ： 作为一种宽禁带（ Ｅ ｇ ＝ ３ ． ２ ｅ Ⅵ半导体化合物 ， 只有波长较短的太阳 光能ｆ ＜ ３ ８ ７ ｎ ｍ １ 紫外光才能激发其催化涪 ｌ 生。但紫外光区域在太阳 … 一 十 ， Ｊ ￡ 能中只占到 ４ ％～ ６ ％， 可见光却Ｌ 占太阳能总能量的 ４ ５ ％。因此 ， 要充
光催化 反应器 。 如图 １ 所示 ， 光催化剂加入待处理的混合液 中， 开 启水泵 ， 使水在光催 化反应器 内和分离装置 间循环流 动。待光催 随着现代化工业 的迅速发展 ， 大量有毒 、 难 于降解 的人工合成 打开 紫外 灯， 反应 开始 ； 有机 污染物得到降解， 有机物不断产生 ， 对人体和动植物有着急性或慢性 、 直接或间接的 化剂达到悬浮状态， 合 格水从分 离装置流 出 ， 光催 毒害作用 。然而常规的水处理工艺对有机污染物 的去除效果甚微， 光催化剂通过分 离装置时被截 留 ； 难 以满足饮用水水质标准 ， 如传统 的液氯消毒 ， 不仅产生天然有机 化 剂颗粒与水实现分离。这种反应器 既保证 了光催化氧化 的高效 又实现 了光催化剂颗粒与水的有效 分离 。 物（ Ｎ ＯＭ ） 、 藻类及其代谢产物等前驱污染物 ， 而且还生成三卤甲烷 、 率，
TiO2光催化氧化剂改性技术概况
ｈ ＋Ｈ２＿ ・ Ｈ Ｈ 曲＋ ０ Ｏ ＋
（） ２
ｈｂ Ｏ —｝Ｏ ￣＋ Ｈ～ ・ Ｈ ＋ 曲＋ Ｈ Ｒ・ Ｈ Ｒ — ＋ Ｏ ＋ Ｈ ＇ ＋ ２ Ｈ Ｒ — Ｒ・ Ｈ Ｏ
（） ３ （） ４ （） ５
１ 光催化 氧化 法基本原理
光催化氧化法是以 ｎ型半导体能带理论为基础
ＴＯ ｉ２ 曲＋一 十ｅ （） １
ＴＯ 表 面存在 部分碱性 中心 ，同时又具有超 亲水 ｉ 性 ）降低 了光催化氧化反应的速度和选择性 ； 光 ， ③
产 生 的 电子 一空 穴 对 在 空 问 电荷 层 电场 的 作
收稿 日期：２ ０ — ８ ２ ， 改稿收到 日 ：２ ０ 一 ９ ０ ０８０— ８ 修 期 ０８ｏ— ８
ｅ＋ ・ ２ ＿０ ０－
・
（） ６
（） ７
（） ８ （） ９
Ｏ Ｈ — Ｈ ２ ＋÷ ０ ＿ ・
的光敏氧化法。 由于 ｎ 型半导体材料能带的不连续 ， 具 有价 带和 导带 所构成 的带 隙 ，价带 由一 系列 填满 电子 的轨道所构成 ， 由未填 充电子 的轨道所构成 ， 导带
无 害而成 为光 催化 剂 的首选材 料被 广泛 研究 【鹕 然 ｌ。 ｐ 光 催化 氧化 过程 中主 要氧 化剂 ，理论 上 几乎 可将 水
而， 由于存在催化剂效率低、 氧化剂难于分离和光能 中所有 有机 物氧 化 ， 至最 终产 物 为 Ｈ２ 甚 ０和 Ｃ 反 Ｏ。 有效利用率低等不足，光催化氧化技术 目 前在水处 应主要过程可通过如下式加 以描述 ： 理工程应用中受到制约 ，国内外 尚处于实验室研究 阶段。 本文就 Ｔ ｉ 光催化氧化剂的性能改进技术进 Ｏ 行总 结 。
受到激发跃迁到导带 ， 价带上形成 空穴 （ 而导带 催化剂 的电子 一空穴对的再复合率 高 ， ） 降低光催化 则带有电子（一， ｅ）在半导体 中产生电子 一 空穴对 。 氧化效率 ； 氧化剂选择吸附性能差 ，光催化氧化 以 ② ＴＯ 为例 ， ｉ 此过程可用下式加以描述。 反应过程 中的反应产物易吸附在催化剂表面 （ 由于
非均相光催化氧化技术
非均相光催化技术的发展概况1972年，Fujishima 和Honda在半导体TiO2电极上发现了水的光催化分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
1977年，Yokota 等发现在光照条件下, TiO2对丙烯环氧化具有光催化活性，从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新的思路。
近三十多年来，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研究发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。
TiO2光催化氧化原理图中所反映的机理涉及的基本的反应式表达如下：在光照下，如果光子的能量大于半导体禁带宽度，其价带上的电子（e-）就会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴（h+）。
当存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子和空穴的复合得到抑制，就会在催化剂表面发生氧化-还原反应。
价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，一般与表面吸附的H2O，O2反应生成•OH和超氧离子O2-，能够把各种有机物直接氧化成CO2、H2O等无机小分子，电子也具有强还原性，可以还原吸附在其表面的物质。
激发态的导带电子和价带空穴能重新合并，并产生热能或其他形式散发掉。
光催化的技术特征1. 低温深度反应光催化氧化可以在室温下将水、空气和土壤中的有机污染物氧化。
2. 绿色能源光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。
从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。
3. 氧化性强大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点，对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有机物具有特别意义。
4. 寿命长理论上，光催化剂的寿命是无限长的。
5. 广谱性光催化对从烃到羧酸的众多种类有机物都有氧化效果，美国环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光催化氧化法降解，即使对有机物如卤代烃、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般经过持续反应可达到完全净化。
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λg(nm)=1240/Eg(eV) ★ 由公式可以看出，禁带宽度Eg越大，λg就越小。这样产
生的光生电子和空穴的氧化还原电极电势就越高。光催化 反应的能力往往取决于半导体光催化剂能带所在的位臵与 吸附的底物氧化还原电势。热力学允许的光催化氧化-还原
反应，要求受体电势比TiO2导带电势低（更正），给体电
★ 光源与光强的影响
光催化氧化始于光照射下n型半导体的电子激发跃迁，用
于激发的光子能量(h)必须大于半导体的禁带宽度(Eg)才能
完成这一过程,TiO2的Eg为3.2ev，可求出其所需入射光的最
大波长为387nm，研究中所用波长一般为300-400nm，所用 灯包括高压汞灯、黑光灯、紫外线杀菌灯等。 Bahanemann等以TiO2光催化降解三氯甲烷时，发现降解 速率与光强的平方根之间存在线性关系。更深一步的研究
发现在光强大于6×10-5Einstein· L-· s-时，光催化没有效果。
结论是光强大，并不一定都有效，因为此时存在中间氧化 物在催化剂表面的竞争性复合。
Okamoto等发现，光强大于2×10-5mol〃m-2〃s-时，酚的 降解速率与光强的平方根存在线性关系，但在低光强下 (<1×10-5mol〃m-2〃s-)时，降解速率与光强之间存在线性关 系。研究表明，对相当强的灯光或集中的太阳光源来说，光
ns,而在粒径为10nm粒子中则只需10ps。此外, 粒径小，比表
面大, 有助于氧气及被降解有机物在TiO2表面的吸附, 则反应 速率快, 光催化效率必然增大。但比表面积的增大，意味着复 合中心的增多，如果当复合反应起主导作用的时候，粒径的 减小会导致活性的降低，当颗粒的尺寸为1～10nm时，出现
量子尺寸效应，会导致禁带变宽。
正方程为模型的硬模型方法，探讨了几个主要影响因素与光
降解速率的关系。研究者们通过对光催化氧化降解动力学的 研究，已经认识到主要因素对光催化反应的影响大多符合一 级反应或准一级反应，个别出现了零级反应的情况。
4.光催化剂TiO2的性质
★ TiO2作为一种n型半导体材料，它的带隙为3.2eV, 只能吸收波长小于400nm左右的紫外光，不能吸收可 见光，但其光催化活性高，具有良好的化学稳定性及 耐光腐蚀性，是比较理想的光催化剂，几乎可以氧化
★ TiO2为白色粉末，俗称钦白粉,无毒，不溶于水、碱，可完全溶解于长时
间煮沸的浓硫酸和氢氟酸。TiO2的化学性质极为稳定，是一种偏酸性的
两性氧化物。常温下几乎不与其它元素和化合物作用，与O2、NH3、N2、
H2S、CO2等气体都不发生反应。
优缺点
TiO2光催化材料的特性
★ 原料来源丰富，廉价，但光致电子和空穴的分离转移速
所有的有机基团,图4和图5分别是常见的几种光催化材
料的带隙能及带隙结构。
图4常见的光催化材料
-1
ENHE
CdS ZnO Fe2O3 WO3 TiO2 SrTiO3
1.1
0
2.4
2.2
3.2
1
Si
3.2
3.6
SnO2
H+/H2
2
3.03
2.8
O2/H2O
ZnS 3
4
3.8
.
图5各种常用半导体的能带宽度和能带边缘电位示意图（pH = 0）
★
κ和K由反应体系中的许多方面的因素决定，包括催化剂的
用量、光照强度、反应物的初始浓度、反应温度、反应物的 物理性质以及气相氧浓度等；对于液相体系，还包括反应液 初始pH值；对于悬浮体系，还有反应器的几何半径、反应器 的经验参数；对于光电催化体系，还有外加电压的影响。 ★ 目前有关光催化降解的反应机理多数采用L-H方程及其修
度慢，复合率高，导致光催化量子效率低；
★ 光催化活性高（吸收紫外光性能强;禁带和导带之间能隙
大；光生电子的还原性和空穴的氧化性强）。只能用紫
外光活化，太阳光利用率低；
★ 化学性质稳定（耐酸碱和化学腐蚀），无毒。但粉末状 TiO2在使用的过程中存在分离回收困难等问题；
研究方向：TiO2改性，提高太阳能的转化率及光催化效率 TiO2是当前最具有应用潜力的光催化剂
二 、光催化氧化的基本原理
1.半导体光催化剂的能带结构 ★ 光催化反应中，催化剂的能带结构决定了半导体光生载
流子的特性。光生电子和光生空穴在光照的条件下被大于或者 等于其禁带宽度的光子激发而产生。根据以能带为基础的电子 理论，半导体的基本能带结构是由填满电子且有较低能量的满 带，称为价带(valence band，VB)和有较高能量的空带，称为
间与颗粒尺寸有关,则
t=d2/(k2D)
式中: t 为时间; D 为电子或空穴的扩散系数;
d为粒径; k 为常数； 说明粒径越小, 光生电子和空穴从 TiO2体内扩散到表面 的时间越短, 它们在TiO2体内的复合几率减小, 到达表面的 电子和空穴数越多, 光催化活性越高。
例如在1000 nm普通粉体 TiO2例子中从体内到表面约需100
解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
★ 1977年，Yokota T 等发现在光照条件下, TiO2对丙烯环氧化具有光
催化活性，从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧化反应提供 了一条新的思路。
★近十年来，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用
研究发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。
因此从TiO2角度来看，高pH和低pH都有可能提高光催化 速率。当然，不同的有机物降解有不同的最佳pH，在降解
氯胺磷的研究时发现pH对氯胺磷影响符合等电点理论，然
而邱常义在研究有机磷农药光降解时，溶液pH对甲拌磷影 响与等电点理论有偏差。冷文华等人研究了pH对TiO2催化 降解苯胺的影响，指出当pH小于7时，随pH降低TiO2表面 的OH-减少，羟基自由基数量的减少，使反应速率下降。 并且指出，pH=7左右降解速率有极大值。在光降解过程中， 溶液的pH是氯化芳香烃在TiO2表面吸附的重要参数。
量子效率较差。
★ 溶液pH值的影响 研究表明，溶液中的pH对TiO2光催化性能产生很大的影
响，TiO2是一种两性氧化物，在水溶液中能够与水作用形
成钛醇键，使其表面形成大量的羟基，这种钛醇键是二元 酸，在不同的pH下存在以下的酸碱平衡： TiOH2 =TiOH十H+，pKa1 TiOH=TiO- +H+ ，pKa2 其等电位点(pHzpc)，即(pKa1 +pKa2 )/2，TiO2的等电点是 pH=6.7；
化研究的核心地位，成为最常用也最具潜力的一种光催化剂。
★ 以半导体材料作为催化剂降解污染物具有速度快、无选择性、深度氧
化完全、能充分利用廉价太阳光和空气中的氧分子等优点，且其操作
条件容易控制，近年来越来越受到人们的广泛关注，已成为一种具有 广阔应用前景的水处理技术。
一 、光催化技术的发展概况
★1972年，Fujishima 在n－型半导体TiO2电极上发现了水的光催化分
势比TiO2价带电势高（更负），才能发生氧化-还原反应。 就是说，半导体导带的能级代表了其还原能力，价带的电 位代表了其氧化能力。
2.半导体光催化的反应机理
★
有关光催化氧化作用机理，目前比较成熟的是基于半导体能带理论的电
子-空穴作用原理。半导体的能带结构基本与绝缘体相似，价电子正好把价
带填满，而能量更高的许可带与价带之问的禁带较窄，可依靠热激发，把价 带中的电子激发到本来是空的许可带中，从而使其成为导带，因此具有了导
★
当粒径在1~10nm级时会产生量子效应
半导体禁带明显变宽，电子—空穴对的氧化能力增强 活性增大 半导体电荷迁移速率增加，电子与空穴的复化能力, 使半导体的光效率增加。 量子尺寸效应引起能带变宽的增加量△E 为 △E=h2π2/2R2[1/m*c+1/m*h] - 1.786e2/εR- 0.248ERY 式中: R 为粒子半径; m*c为电子有效质量; m*h为空穴有效质量; ε为介电常数; ERY为有效里德伯能量 e4/2ε2h2(1/mc+1/mh)。
原反应
图1 半导体能带理论电子一空穴作用示意
图2 光照条件下TiO2载流子激发和退激活过程
图3 光生电子—空穴对的氧化还原机理
3.光催化反应的动力学
许多研究认为，半导体表面的光催化降解速率遵循经典的
Langmuir-Hinshelwood动力学模型。
★ 其方程为：r = dC/dt = κKC/（1+KC） 其中： r是反应物的总反应速率； C是反应物的浓度； κ是反应物的反应速率常数； K是反应物在催化剂上的吸附常数。
导带(conduction band，CB)；价带和导带之间为禁带，禁带宽
度称为带隙能，禁带之间不允许有电子存在。而且电子在填充 时，优先从能量低的价带填起。
★ 当用能量等于或大于禁带宽度(Eg)的光(hv≥Eg)照射在半导 体材料上时，半导体光催化剂吸收光，价带上的电子(e-)就会
被激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空穴(h+)。半导
三 、TiO2光催化活性的影响因素
★TiO2晶体结构的影响
在 TiO2的三种晶型锐钛矿、金红石和板钛矿中，锐钛矿表现
出较高的活性，原因如下： 1.锐钛矿较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负 的电位，因而具有较高的氧化能力； 2.锐钛矿表面吸附H2O，O2及OH-的能力较强，导致光催 化活性较高； 3.在结晶过程中锐钛矿晶粒通常具有较小的尺寸及较大的 比表面积，对光催反应有利。
★ TiO2表面结构的影响 光催化过程主要在催化剂表面发生，对于单纯的TiO2光催化 剂,影响其光催化活性的表面性质如下：
1.表面积， 尤其是充分 接受光照的 表面积
2.表面对光 子的吸收能 力