纳米材料在光催化中的应用

纳米材料在光催化中的应用

姓名：张晓学号：5603509057 班级：食品质量与安全091班

摘要：该文综述了近年来有关以TiO2在光照射下对有机污染物进行光催化降解作用的研究进展,讨论水热法的特点及其制备TiO2的过程,阐述了TiO2在紫外光和可见光下的光催化机制,着重介绍了TiO2纳米材料在光催化降解处理污水的应用情况,指出了TiO2研究进程中存在的主要问题、发展前景及今后的研究方向。

关键词：TiO纳米材料水热法制备光催化反应光降解

纳米光催化技术是始于20世纪70年代的深度氧化技术。由于TiO2具有化学活性高、化学及光学性能稳定、耐热性好、无毒、价格相对同类产品低廉等特点，被认为是目前最有前途的绿色环保型光催化剂。

1 纳米光催化材料处理室内空气污染物的原理简介

1.1 纳米TiO2光催化反应原理

半导体光催化作用的本质是在光电转换中进行氧化还原反应。根据半导体的电子结构，当其吸收一个能量不小于其带隙能（Eg）的光子时，电子（e-）会从充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴（h+）。价带空穴具有强氧化性，而导带电子具有强还原性，它们可以直接与反应物作用，还可以与吸附在催化剂上的其他电子给体和受体反应。

吸附在TiO2表面的溶解氧俘获电子形成·O-2（原子氧），而空穴则将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成·OH（氢氧自由基）。氢氧自由基的氧化能力很强，能有效地将有机污染物氧化，最终将其分解为CO2，H2O，PO43-，SO42-，NO23-及卤素离子等无机小分子，达到消除空气污染物的目的。

1.2 纳米TiO2应用于空气净化领域独特的环保优势

(1)降解速度快，一般只需要几十分钟到几个小时即可取得良好的处理效果；(2)降解无选择性，几乎能降解任何有机物，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；

(3)氧化反应条件温和，投资少，能耗低，在紫外光照射或阳光下即可发生光催化氧化反应；(4)无二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H2O等无害物质；

(5)应用范围广，几乎所有的污染空气都可以采用。

2 光催化空气净化器的原理及功效

2.1 空气净化器的发展趋势

随着人民生活水平的提高和环境保护意识的增强，空气净化技术的研究应运而生。第一层次的产品以物理为主的空气净化器，是利用过滤、吸附、磁化处理杂质、静电凝聚清除尘埃、负离子消除烟尘等单一技术或其综合。

第二层次产品是以臭氧负离子为主要功能的空气净化器。臭氧具有消毒、杀菌、除臭去味和去颜料色素等功能，利用臭氧与负离子以及其他物理过滤方法结合可以达到一定的空气净化效果。但是臭氧仍然存在不能分解有机污染物的缺点。采用纳米光催化分解有害气体为核心，结合HEPA除尘技术、紫外杀菌技术、臭氧耦合技术和负离子清新技术于一体的空气净化技术将带来第三层次的全方位空气净化器。具有强力除尘、脱臭、消毒、灭菌、分解有害气体等净化空气的功能

2.2 新材料、新结构的应用

应用纳米TiO2泡沫镍金属滤网及甲醛、氨、TVOC吸附改性活性炭等新材料，以

及采用惯流风扇取代传统的离心风扇结构，提高空气净化器的性能。

（1）光催化泡沫镍金属滤网的特性

镍金属网是用特殊的工艺方式将金属镍制作成具有三维网状结构的金属滤网。它具有：空隙加大，一般大于96%；通透性好，流体通过阻力小；其实际面积比表观面积大很多倍（10-13）的特性。

镍金属网是将纳米级的TiO2以特殊工艺镶嵌在泡沫状镍金属网上，从而将光催化材料的杀菌、除臭、分解有机物的功能和镍的超稳定性很好的结合在一起。它有效的解决了其他光催化材料在使用中存在的有效受光面积小、流体和光催化材料接触面积小、气阻大以及因光催化材料在光催化作用下的强氧化性致使其附着基材易老化和光催化易脱落而使其寿命短的缺陷[1]。

（2）活性炭改性工艺及增强性能

活性炭是一种多孔性的含碳物质，它具有高度发达的空隙构造，是一种优良的空气中异味吸附剂。

甲醛吸附改性活性炭：应用先进的活性炭改性工艺，克服普通活性炭对极性小分子醛类污染物吸附能力差的弱点，消除效率可提高10倍；

氨吸附改性活性炭：应用活性炭表面改性工艺，增强活性炭对氨类污染的媳妇性能；

TVOC吸附改性活性炭：催化改性活性炭，高效快速吸附消除空气中的TVOC污染。（3）光催化空气净化器通过在壳体内上置贯流风扇的结构设计，相对节省了空间，有效增大过滤系统的空间，即实现了在有限空间内，HEPA过滤器和除氨（除甲醛、除TVOC）特效过滤器可同时使用，提高了空气净化的效率和质量。同时，贯流扇叶的应用吸取空调中风扇结构的优点，使应用环境更加健康、环保。

有一部分专家利用熔融分相法制备了纳米TiO_2光催化村料,用XRD,SEM,TEM技术对其结构进行了表征,并进行了光催化降解污水的实验。结果表明:在600℃热处珲条件下,经过适当的化学处理,可以制得负载于多孔玻璃的锐钛矿型纳米尺寸的TiO_2晶体,以紫外光为光源的降解率明显高于荧光光源,在日光照射下对污水处理的降解率,达到60%以上,通过掺杂Fe~(3+)改性的TiO_2其降解率明显提高。这就使得我们在污水处理时的效率显著提高。

有关专家还建立了纳米材料光催化空气净化器挥发有机物(VOCs)降解模型,该类空气净化器的性能评价指标:反应有效度εm和传质单元数NTUm,分析了影响VOCs降解效果的因素,有关专家对光催化反应常数、εm和NTUm的简便测试和确定方法,并进行了测量误差分析。实验表明,光催化反应器VOCs降解模型和光催化反应常数测试方法简单可靠,可用于VOCs光催化反应器的设计和性能校核。另外，光催化纳米材料在环境保护领域中的应用进展及环境污染物在光催化纳米材料表面的光催化降解机理，对光催化纳米材料在降解化工废水、农药废水、染料废水、含油废水、造纸废水等有机废水和无机废水、自来水净化、大气污染治理等方面的应用进行了评述，简要介绍了该材料在自清洁涂料、光催化消毒剂、吸收紫外线等方面的应用。指出了目前光催化纳米材料在应用领域中存在的不足，并展望了合成出对可见光有高响应率的光催化剂以及和传

污水处理技术相结合的发展前景。

纳米光催化材料还是一种对化学反应具有较高活性和高选择性的催化剂。针对不同空气过滤材料的不同要求，利用纳米光催化材料对空气过滤材料进行了一系列改性整理实验，通过对整理前后空气过滤材料性能测试研究，分析空气过滤材料的拒水、拒油及净化有害气体性能在整理前后的性能变化情况，验证纳米光催化