半导体光催化氧化技术探讨

半导体光催化氧化技术探讨

摘要：目前来说，半导体光催化氧化技术取得了较大的进步，本文主要介绍了半导体光催化氧化技术的探讨，为从事相关的工作人员提供了参考意义。

关键词：半导体；光催化；氧化

前言：

上个世纪70年代，科学家们通过紫外光的照射，采用TiO2成功对多氯联苯进行了降解，这也是人类历史上首次利用半导体光催化达到剧毒物质降解的目的。从那以后，人们就开创了一条半导体光催化氧化在环境处理污染中展开应用的道路。而最近几年，有关光催化氧化的研究也取得了相对来说较大的进展，TiO2的光催化效率和催化剂的选择等之类的问题成为了其研究的重心。

一、半导体光催化氧化技术特点

1.催化所用光的选择性

我们知道，最初的光催化氧化反应所采用的光是紫外光，而随着科学技术的不断进步，目前阶段的光催化氧化不但可以利用紫外光，太阳光等可见光都可以成为其反应的条件。而通过半导体催化后，可以把吸收的光能转化为电能或者化学能进一步使反应进行。从能源利用的角度上来说，使用太阳能这一新兴能源，恰恰为光催化的开发动力和应用潜能打了一个长长的省略号。

2.对污染物有很高的矿化作用

光催化技术对有机污染物的矿化程度非常高。其原理如下所述：当所用的光催化剂的能量不低于禁带宽度的光照射时，价带电子就会在紫外光或其他光的催化作用下自禁带向导带移动，然后于导带上产生e-、价带上留下h+；有着超强氧化性的正电空穴可把附着在半导体表面的OH-氧化成羟基自由基· OH、·O-2、HOO· 以及H2O2等具有活性的氧化物。其中，·OH属于一种强氧化剂，强到对反应物无选择性，几乎能使任何具备还原性的有机污染物发生氧化反应，并进一步对其矿化将其最

终转变成为 CO2、H2O和无毒害的无机盐。

3.对环境没有很大的破坏

由于半导体光催化剂多采用TiO2等金属及其金属氧化物作为材料，属于对环境比较友善的材料，故光催化技术可以算是一项新型的绿色环保技术。就目前而言，对有机污染物进行降解一般都分物理、化学和生物三种方法，其中物理方法多属于较为传统的方法，主要针对有机污染物表面的污染处理；而生物方法往往都是以细菌或真菌为降解媒介，国内普遍采用稀释生化法处理，这种方法很可能出现稀释倍数高、负荷大和污染等问题。相对而言，光催化氧化的方法则可以直接或间接地将污染物降解为 H2O、CO2、PO3-4等无毒无害的无机物，由于降解所用材料无毒，所以也不必担心出现二次污染,，且本身安全和见效快等优点都是值得一提的。

二、半导体光催化氧化在降解中出现的问题

光催化技术由于具备传统技术所没有的优点而被广泛的研究，然而口前半导体光催化技术还存在几个关键的技术难题，使其难以在实际中大规模地推广应用，其中最突出的问题在于：

1.量子产率低

大多数报道中光催化的光量子效率都很低，其光量子产率不高于4%，只适用于低浓度、小污染的处理，难以处理量大且浓度高的工业污染物。

2.太阳能利用率低

由于半导体TiO2的能带结构决定了其只能吸收利用紫外光，而到达地而的太阳光中的紫外辐射不到5%，如果太阳能收集装置的效率按理想的7.5%，TiO2的催化效率按1%计，那么被有效用来光催化的能量只占全部太阳能的0.04%。因此从能量利用的角度来看，太阳能光催化技术效率非常低。另外，太阳紫外辐射度还受昼夜、季节、天气变化的影响，这些都给太阳能光催化处理系统的连续有效运转带来困难，从而限制了对太阳光的利用.

3.光催化应用中的技术难题

主要表现在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收技术、光催化反应器设计、在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化活性稳定性问题。

4.光催化氧化机理尚不明确

光催化反应机理非常复杂，尚存在许多争议。使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作盲口性较大。只有真正了解具体的反应机理，才能有针对性地提高催化反应的光量子效率，解决实际应用中而临的诸多困难。

三、提高光催化效率的途径

1.光催化剂方面

研究表明，在TiO2中掺杂一定量的某些金属离子，可以抑制电子与空穴复合或扩展光吸收波长的范围，从而提高光量子效率。比如，加入V5+、Cr3+、Mn3+、Fe3+、Co2+等可以明显提高 TiO2的光催化活性。然而，并非所有的金属离子的加入都对提高光催化的效率起作用，而只有电子结构和离子半径与半导体的晶型结构、电子结构匹配的金属离子，可形成有效的掺杂才能提高光催化效率。

2.e-和 h+方面

半导体复合是由两种能带位置适合的半导体材料进行复合，是提高光催化效率的有效手段，它不仅可以提高光生电荷的分离效果，而且可以扩大光吸收波长的范围。这些复合体系几乎都表现出高于单一半导体的光催化性质，在不同程度上提高了光催化反应性能。比如，CdS/TiO2复合体系中，如果所用的激发能量介于CdS(Eg=2.5eV)和

TiO2(Eg=3.2eV)之间，则无法激发 TiO2价带中的e-，而只能将 CdS中的电子激发到导带。在激发过程中，由于CdS价带的位置比TiO2高，空穴就只能留在CdS颗粒中，而 CdS导带的位置比 TiO2高，则电子就从 CdS 流向了 TiO2, 这在空间上实现光生载流子的分离，提高了光催化效率。

3.研发可见光化光催化剂

早期的可见光光催化剂研究主要以硫族化合物为主，然而这类光催化剂的光稳定性差，容易发生光腐蚀，不利于实际应用。近几年，钛酸盐如 SrTiO3、钒酸盐如 InVO4、铬酸盐如 BaCrO4、钨酸盐如 Bi2WO6等可见光光催化剂引起了研究者的兴趣，但研究还处于起步阶段，只对其光电性质和可见光光催化活性进行了初步的研究。

结语：

总之，充分运用半导体光催化氧化技术，可以为可持续发展提供重要的价值和意义。因此，对于半导体光催化氧化技术要进行进一步的研究和发展。

参考文献：

[1]刘祥英,邬腊梅,柏连阳.半导体光催化的特点及提高催化效率的途径[J].辽宁大学学报自然科学版,2010(1).

[2]杨静静,何勇平,彭媛.半导体SiC光催化分解水制氢研究进展[J].广州化工,2015(7).