环境催化与材料

环境催化与材料课程论文光电催化处理污染物的研究进展

姓名：周光红

班级：环境二班

学号：20818095

日期：二零零八年十二月三十日

目录

1、引言 (1)

2、光电催化的原理 (1)

2.1 光催化的原理 (1)

2.2 光电催化——光催化与电化学协同效应 (2)

2.3光电催化反应的影响因素 (3)

3、二氧化钛光电催化剂改性研究 (5)

3.1掺杂改性研究进展 (5)

3.1.1过渡金属的掺杂 (5)

3.1.2贵重金属的沉积 (6)

3.1.3非金属掺杂 (6)

3.2复合半导体的研究进展 (7)

3.3表面技术处理光催化半导体的研究 (7)

3.3.1表面修饰 (7)

3.3.2光敏化材料改性研究 (8)

3.4半导体的固定化技术研究 (8)

4、光电催化在水处理方面的应用研究进展 (9)

4.1.光电催化降解染料 (9)

4.2.光电催化降解甲酸 (10)

4.3.光电催化降解酚类 (10)

4.4.光电催化降解醇类 (10)

5、光电催化技术处理污染物过程中存在的问题 (11)

6、结论与展望 (12)

参考文献 (13)

1、引言

光电催化技术是一种能有效促进光生电子和空穴分离,并利用光电协同作用的增强型光催化氧化技术。长期以来,光催化技术的处理效率始终难以达到实际应用的水平,主要原因就在于光生电子和空穴的复合率高,抑制了两者同溶液中被处理物质的反应。通过外加电场促进光生电子与空穴的分离,从而提高光催化技术的处理效率。这种将光化学催化(光催化)和电化学氧化法结合起来以达到协同效应的光电结合技术称为光电催化技术,也称为“电助光催化技术”,是目前氧化法研究的新热点。

2、光电催化的原理

2.1 光催化的原理

“光催化”即意味着光化学与催化剂二者的有机结合，因此光和催化剂是引发和促进光催化氧化还原反应的必要条件。半导体材料之所以能作为光催化剂，是由于其自身的光电特性所决定的[1-3]

半导体的能带是不连续的，价带(VB)和导带(CB)之间存在一个禁带，当用能量等于或大于禁带宽度(也称带隙能，Eg)的光照射半导体时，其价带上的电子(e-)被激发，跃过禁带进入导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，形成电子—空穴对。光生空穴具有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收入射光的物质被活性氧化。而电子则是强还原剂[4]。水溶液中的光催化氧化反应，在半导体表面失去电子的主要是水分子，水分子经催化后生成氧化能力极强的羟基自由基·OH，·OH是水中存在的氧化剂中反应活性最强的，而且对作用物几乎无选择性，可以氧化各种有机物，并使之矿化。

2.2 光电催化——光催化与电化学协同效应

光电催化技术是一种能有效促进光生电子和空穴分离,并利用光电协同作用的增强型光催化氧化技术。长期以来,光催化技术的处理效率始终难以达到实际应用的水平,主要原因就在于光生电子和空穴的复合率高,抑制了两者同溶液中被处理物质的反应。通过外加电场促进光生电子与空穴的分离,从而提高光催化技术的处理效率。这种将光化学催化(光催化)和电化学氧化法结合起来以达到协同效应的光电结合技术称为光电催化技术,也称为“电助光催化技术”,是目前氧化法研究的新热点。光电催化技术作为一种电化学辅助的光催化反应技术,其反应机理是:半导体具有能带结构,由填满电子的价带和空的

导带构成,价带和导带之间存在禁带。当用能量大于或等于禁带宽度的光照射半导体(通常采用TiO2)时,价带上的电子被激发跃迁至导带而产生空穴,光生空穴具有很强的氧化能力,可夺取水分子的电子生成HO·。而HO·是水中存在的氧化剂中反应活性最强的,且对作用物几乎无选择性,故能使多种难于降解的水中有机污染物完全无机化。

光电催化技术以光催化剂作为光阳极,对其施加一定的偏电压,光生电子就会

迁移至外电路,从而抑制光生电子和空穴的复合。空穴在催化剂表面累积,并发生进一步反应以去除污染物。在反应体系中加入电压可显著减少电子空穴对的复合,从而解决了光催化中电子空穴对严重的复合问题。

DongHyun等以半导体氧化物薄膜作为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极构成光电化学电池。用近紫外光直接照射阳极，激发二氧化产生空穴h+及·OH自由基，将溶液中有机物氧化，而电子e则通过外电路流向对电极，将液相中氧化态组分还原，从而降低e、h+的复合率，这样光量子效率有了极大的提高，同时催化剂的活性也得到了改善。

2.3光电催化反应的影响因素

光电催化反应是将电化学技术与光催化技术结合一起，因此除影响光催化反应的因素对光电催化反应有影响之外，还有其他一些因素对光电催化反应有影响，主要有以下:

a光催化剂的粒径

催化剂粒子越小，溶液中分散的单位质量的粒子数目就越多，光吸附效率就越高，光吸收不易饱和，体系的比表面大，反应面积就大，也有助于有机物的预吸附，反应速率和效率就大;粒径越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子与空穴分离的效果越好，光催化活性就越高.

但是，粒径也不是越小越好。粒径降低到一定程度，比表面积急剧增加，导致表面电子和空穴复合几率提高。而且粒径的过分减小，量子尺寸效应显著，禁

带变宽，可利用的光的波长范围减小，导致可吸收的光子减少，迁移到表面的光生空穴一电子对减少，从而光催化效果降低。因而光催化剂的粒径也有一个最佳值。

b溶液电导率的影响

溶液的电导率对有机物降解有较大影响。安太成[5]等人在对直接湖蓝降解研究结果表明:COD降解率随着溶液电导率的升高反而降低，色度去除率也有所降低。

c溶液初始pH的影响

溶液的PH对光催化反应有较大影响，主要是因为溶液的pH不同，改变了半导体光透电极与电解质溶液界面的电荷性质，进而影响了半导体光透电极对有机物的吸附。有研究证明，TOi2的异电点约为pH=6.4。当PH<6.4时，下TOi2表面为正电性，易吸附负电性的分子;pH>6.4时，TOi2表面为负电性，易吸附正电性的分子[6]。

d外加偏电压的影响

外加偏压的大小对有机物的降解有一定的影响。由于光阳极的厚度有限，空间电荷层的厚度最大不能超过半导体氧化膜的厚度;且当光强固定时，光生电子的数量是一定的，故外加电压达到一定值时，光生载流子己达到充分分离，形成饱和光电流。因此，在光电流接近饱和状态时，继续增大电压对光催化反应速率提高幅度不大;相反，随着电压的升高，光电流效率反而下降。

e反应物初始浓度的影响

Ball和okmoto[7]的研究表明，光强对催化氧化降解速率的影响程度同样与光强的大小有关。在低光强下，降解速率与光强成线形关系，中等程度的光强下，降解速率与光强的平方根存在线形关系。

反应物浓度对降解速率的影响类似于光强的影响。当反应物浓度很低时，降解速率与浓度成正比，当反应物浓度增加到一定程度时，随着反应物浓度的增加，反应速率虽有所增加，但这种增加与反应物浓度己不存在正比关系，浓度到了一定界限以后，将不再影响反应速率[8]。

f电解质的影响

光电催化反应中常使用的电解质有H2SO4，Na2S、NaOH，NaCl等。当电解质浓