光催化剂论文

光催化剂论文

摘要

光催化涉及的领域非常宽，包括材料、能源、环境和生命起源等。目前，光催化研究内容大体分为：分解水或相关溶液制氢、太阳能电池、光伏器件、大规模污水处理、氮和碳的光化学固定、光催化环境净化材料、光催化反应化学等。本文简单介绍光催化的发展、光催化剂设计、制备以及应用。

关键词

光催化能源环境制备应用

一.简介

催化是藤岛昭教授在1967年的一次试验中对放入水中的氧化钛单晶进行了紫外灯照射，结果发现水被分解成了氧和氢而发现的。通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思，光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参与反应。光催化学科是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。光催化剂的研究应用一旦获得突破，将可以使环境和能源这两个二十一世纪人类面临的重大生存问题得以解决。

利用太阳能光催化分解水制氢H2O → H2 + ½ O2 彻底解决能源问题

利用环境光催化 C6H6 + 7 ½ O2 → 6 CO2 + 3H2O 彻底解决污染问题

光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳光作为光源来驱动反应等独特性能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。

光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。它几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物的"光合作用"，吸收对动物有毒之二氧化碳，利用光能转化为氧气及水。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。

如此清洁而高效的催化作用当然是我们研究的主要对象，否则将是一笔不可估量的损失。由于资源环境等问题的严峻性，我们将由被动开始转变为主动研究这一领域。我国光催化剂的研究领域主要集中在以下几个方面：

（1）新型高效光催化剂，包括可见光光催化剂的研究与开发；

（2）光催化技术在空气净化和污水处理等环保领域的应用研究；

（3）光催化技术在军事领域的应用研究；

（4）光催化技术在医疗方面的应用研究和技术开发；

（5）光催化技术在高压输变电线路安全保障方面的应用研究；

（6）光催化技术及其产品的工程化和产业化研究与设计。

到目前为止，我国已经取得了良好的成绩。

二、材料

世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2)，硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。在早期，也曾经较多使用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料，但是由于这两者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性，故发达国家目前已经很少将它们用作为民用光催化材料，部分工业光催化领域还在使用。

二氧化钛是一种半导体，分别具有锐钛矿(Anatase)，金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构，其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。

三、发展

1972 年，Fujishma 和Honda 在Nature 杂志上发表了用纳米二氧化钛作为光阳极进行紫外光光照分解H2O 为H2 和O2 的研究论文[74]，这标志着多相光催化从基础研究到应用研究新时代的开始。自此，伴随着世界范围内能源危机的爆发和环境恶化问题等的出现，多相光催化研究日益引起人们的关注。它的目标是利用自然界最为丰富的能源——太阳光能来应用于能源转化与利用，环境净化，光化学合成，太阳能电池等等的课题。1976 年美国Carey 关于光催化分解联苯

及氧化联苯的报导，被认为是光催化在消除环境污染物方面的首创性研究工作。

另外，由于日本在90 年代实施了净化空气的恶臭管理法，掀起了大气净化、除臭、防污、抗菌、防霉、抗雾和开发无机抗菌剂的热潮。在这样的背景下，环境友好光催化技术作为新环保技术，其实用化的研究开发受到广泛的重视。世界许多国家尤其是日本、美国、加拿大、法国、韩国等国家投入了大量的资金和研究力量从事光催化功能材料及相应技术的研究及开发，涉及光催化消除环境污染物的研究报道日益增多。光催化环境友好应用研究领域的发展十分迅速，目前，水或空气中可能存在的各类主要有机污染物例如：致癌类卤化物、农药、含硫有机物等等都有光催化矿化方面的研究。

四、目前光催化剂在日常生活中的主要应用有：

1、催化废水中有机物的降解

用光敏化半导体为催化剂处理印染污水、有机卤化物废水和有机农药废水，是近年来有机废水降解技术研究较多的一个分支[82-87]。相关专利已达1000 多项，

现在市场上已经有利用光催化进行废水处理的整套反应器。

2、催化居室中有机气体污染物

居室中有机气体污染物主要来自与装饰涂料和家具油漆等，主要污染物为甲醛等小分子烃类化合物。室内这些有毒物质浓度过高会引起一系列相应的疾病。现在市场上已经出现种类繁多的空气净化器，各种净化器可能净化原理不同，但其中还是利用光催化剂在紫外灯照射下催化降解有机物的效果最好。

3、催化玻璃、器皿表面油污，达到自清洁

医院手术台和墙壁上经常有细菌，日本已经利用纳米二氧化钛涂在瓷砖表面，在室内弱的紫外光照射下就能杀死细菌。同样利用这一技术生产的浴缸也已经问世。将TiO2 涂在玻璃表面，这样的玻璃具有自清洁作用，表面不会沾染油污，不需要清晰。如将极薄的TiO2 涂在路灯灯罩上，这种灯罩玻璃能保持洁白如新。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术[88]。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物完全氧化成无毒的二氧化碳和水等无害产物。而传统的高温焚烧技术则需要在极高的温度