光催化剂降解有机污染物

光催化降解有机污染物

摘要：在21世纪的社会，能源与环境问题已经成为世界关注的主题，水和空气作为人类最宝贵的资源已日益受到重视。开发一种简便有效的方法来治理水体污染和大气污染是人类社会一个急需解决的问题。虽然目前已经有许多治理手段，但是光催化处理有机污染物的技术由于其价廉，无毒，节能，高效的优势逐渐成为各界人士研究的重点，光催化的研发也一跃成为当前国际热门研究领域之一。关键词:光催化，有机污染物，环境，二氧化钛

正文：

在21世纪的社会，能源与环境问题已经成为世界关注的主题，如何减少污染，保护生态平衡，解决环保问题，已经引起各政府决策部门和学术研究部门的高度重视。当今时代，我们在大力发展社会生产力，提高生活水平的同时，对环境也造成了严重的破坏，严重威胁着我们的生存。现如今，水和空气作为人类最宝贵的资源已日益受到重视。特别是随着工业进程的加快，水和空气中被排放了大量的废水、废气，其中含有大量的有毒有机化合物会在人体内富集，给人类的健康带来巨大的威胁[1-2]。而且在这些化合物中，有部分化合物用平常的处理方法很难将其降解[3]。我国学者金奇庭等人通过研究观察发现：很多的有机化合物能使厌氧微生物产生明显的毒害作用[4]。由实验结果可以看出，这些有机化合物必须通过一些其他的非生物的降解技术来除去。在我们的日常生活中，有大量的挥发性有机化合物（volatile organic compound，VOC）被排放到我们生活的环境中，不仅对环境造成了严重的破坏，而且使人类自己的健康乃至生命受到严重的威胁，例如，各种各样的的石油化工产品及会产生有毒气体的室内外装饰品、日常生活用品，特别是室内装饰经常使用的建筑材料像油漆、涂料等，这些化合物对环境造成严重的污染，对人类的健康造成严重的威害。因此，开发一种简便有效的方法来治理水体污染和大气污染是人类社会一个急需解决的问题。虽然目前已经有许多治理手段，但是光催化处理有机污染物的技术由于其价廉，无毒，节能，高效的优势逐渐成为各界人士研究的重点，光催化的研发也一跃成为当前国际热门研究领域之一。尽管纳米二氧化钛具有优良的光催化性能，但仍然有一些缺陷制约着光催化的大规模应用。主要由于其带隙较宽，导致其只能被太阳光谱中仅含有3%左右的紫外线激化，这一原因极大的限制了光催化技术的应用。目前人们在研究光催化降解液相污染物方面已经取得了较多的成果与突破，而近来随着大气污染的愈加严重，利用光催化处理VOC等气相污染物的各类研究都广泛开展。本课题拟从气相光催化方面研究二氧化钛的催化活性，目标是寻找到合适的光催化评价手段和优良性质的光催化材料。半导体多相光催化技术起源于上世纪七十年代，自1972年日本学者Fujishima和Honda[5]发现TiO2单晶能光电催

化分解水以来，光催化氧化还原技术，在污水处理、空气净化、抗菌杀毒、太阳能开发等方面具有广阔的应用前景，受到世界各国的广泛关注，并得到了迅速发展。大量研究证实：染料、表面活性剂、有机卤化物、农药、油类、氰化物等许多难降解或用其它方法难以去除的有机污染物都能够通过光催化氧化反应有效的降解、脱色、去毒，并最终完全矿化为CO2、H2O及其他无机小分子物质，达到完全无机化的目的，从而消除对环境的污染[6]。

近年来，光催化技术处理环境污染的已经广泛应用，特别是在气相催化研究方面也取得了一定的成效。针对目前比较受关注的室内墙体涂料挥发出的一些有机污染物，如苯，甲苯，甲醛等芳香族有机物，它们对人体有较大危害，极大的影响了空气的质量和人体的健康。而利用光催化技术处理这类有机污染物具有反应速度快，光的利用效率高，不会产生二次污染等优点。不仅如此，对农药、工业制造、消毒防腐、建筑材料等产生的挥发性有机物也具有较好的光催化活性。

光催化氧化技术应用于降解空气中的挥发性有机污染物的过程已经成为最理想的治理环境手段之一。Salthammer等[7]研究了气相光催化技术在处理目前室内墙体材料污染方面的应用, 其高效的催化性能使越来越多的关于墙体材料的有机污染的催化应用受到关注。利用光催化氧化技术能降解大部分的污染物, 包括臭氧等强氧化剂无法氧化的难降解物质和其他方法难以去除的痕量污染物。目前，如何将其大规模地应用到实际的污染治理当中一直是各界人士研究的热点，而要成功的实现这个目标，还有许多难题有待解决，如何研制出好的评价手段，如何尽可能提高光催化效率等都是我们面临的挑战。相对于已经被广泛研究的液-固相半导体光催化降解有机物的废水处理，气-固相半导体光催化氧化反应在许多方面都具有更突出的特点。普遍认为，在光催化反应的速率方面，由于气体分子的扩散速度相对较快，因此一般气相光催化的反应速率比起液相都提高了几个数量级。此外，用于气相的催化剂与液相反应相比更易回收，在实现连续化的处理方面更加方便；气相光催化反应条件更加便捷，在常温常压的条件下即可进行反应，直接以空气中的氧气作氧化剂，反应的效率更高；在气相光催化反应过程中使用的光源属冷光性质，对环境的温度没有明显的影响。从以上这些方面我们都不难看出，利用半导体光催化技术处理空气中的废气的多相光催化过程已经逐渐成为一种理想的环境治理手段。

这些年来，人们发现了各种有机废气，从其所包含的元素划分，目前主要有以下几种：芳香族有机物，含硫有机物，含氯有机物，含氮有机物，各类醇，醛等有机物。芳香族有机物主要是分子结构中包含有苯环的一类物质。在目前的光催化实验研究中，芳香族有机物已经成为重要的目标污染物之一。很多学者多苯，甲苯，丙酮等气相有机物的光催化降解进行了研究。

在环境污染日趋严重的现代社会，TiO2光催化降解有机废气技术具有广泛

应用前景，其能耗低，易操作，而且安全清洁等优势使得光催化技术在未来的环境治理中扮演着重要的角色。本课题将通过自行设计的光催化反应器，利用独特的TiO2催化剂制备方法去对丙酮及苯类有机物进行降解，在实验过程中只通过引入光作用去研究光照对光催化反应的影响，不考虑温度的影响，只考虑光作用，并从原理上解释了这种现象。论文主要研究了纳米TiO2的光催化性能，采用XRD、BET、TEM等测试手段对其进行了分析和表征。

一．TiO2的研究进展

1. TiO2的结构

二氧化钛的分子式是TiO2，是金属钛的氧化物。根据晶型可以划分为金红石型、锐钛矿型和板钛矿型三种。金红石矿在自然界中分布最广，锐钛矿型TiO2属于四方晶系，板钛矿型TiO2由于属于正交晶系很不稳定，金红石型TiO2相对于锐钛矿型和板钛矿型来说应用较广[8]。图1-1为锐钛矿型和金红石型的单元结构图[9]。

在锐钛矿型TiO2 的单元结构中钛原子处在钛氧八面体的中心位置，在其周围有6个氧原子，这6个氧原子都处于八面体的棱角位置，总共有4个共棱边，对于锐钛矿型来说，单一晶格中含有有4个TiO2分子[10]。锐钛矿型TiO2的八面体易发生晶型畸变，故其Ti-O键距离都很小而且长度不等，分别为1.937 ×10-10m 和1.964×10-10m，这就使得TiO2的分子极性很强，这种强极性就使水分子容易吸附在TiO2的表面受到极化而形成表面羟基[11]。这种表面羟基可以作为广义碱与改性物质结合达到对TiO2表面改性的目的[12]。

金红石的晶格比锐钛矿小，致密度要比其高，所以金红石具有更好的稳定性和较高的硬度、密度、折射率和介电常数。锐钛矿对可见光的反射率高于金红石，对紫外线的吸收能力不如金红石，但是比金红石的光催化活性高；锐钛矿在常温下较稳定，必须在高温条件下才可以向金红石转变，这种转变属于不可逆转变[13-15]。金红石的比表面积较小，对O2的吸收能力较差，所以光生电子和空穴容易复合，这直接降低了金红石的光催化活性，高活性二氧化钛在实际研究中多为锐钛矿与金红石的混合物，这种复合结构能有效地提高光生电子和空穴的分离效率，这种现象被称为“混晶效应”[16]。