光催化技术的简述

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光催化技术的简述

摘要：随着社会的发展，高楼大厦也越来越多，擦窗工也成了一项高危职业。然而光催化技术就能实现自我清洁。当一定波长的光照射到光催化剂上时，光催化剂的价带电子发生带间跃迁,从而产生光生电子和空穴。此时吸附在光催化剂表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。

关键词：半导体、光催化技术、自我清洁

1.去除有机物的传统方式

催化燃烧是借助催化剂在低温下(200～400℃)下，实现对有机物的完全氧化。因此在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面应用较广。但催化燃烧法也有一定的缺点。催化燃烧装置的内部温度高，耗能大，并且有一定的危险。

化学氧化法也是传统去除有机物的一种应用很广的方法。其原理是就是用强氧化剂对目标物进行氧化，从而达到去除有机物的目的。这种方法反应温和容易控制，但是反应效率不高，并且强氧化剂价格昂贵，无法大量使用。

生物降解法是利用微生物降解代谢有机物为无机物来处理废水。通过人为的创造适于微生物生存和繁殖的环境，使之大量繁殖，以提高其氧化分解有机物的效率。其缺点是微生物对环境要求高，并且生物降解法往往不能直接去除有机物，必须经过其他工艺后，才能达到标准。

2.光催化技术简述

正是因为传统去除有机物的方式多多少少存在一些缺点，半导体光催化技术作为一种新型的环境治理技术，在有机物降解方面展示了广阔的应用前景。

2.1光催化剂

2.1.1导体、半导体和绝缘体

按固体能带理论,物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同，把它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带。

在禁带里，是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电场作用下成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大，能导电。

对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价，。不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。

绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄，因此电子获得能量越迁到导带就相对容易，在外在电场的作用下可以形成电流。

而绝缘体的禁带宽，电子获得能力越迁到导带的难度就大。因此。绝缘体的载流子的浓度很小，不能够导电。实际绝缘体里，导带里的电子不是没有，

并且总有一些电子会从价带跃迁到导带，但数量极少，所以在一般情况下可以忽略在外场作用下它们移动所形成的电流。

半导体分为p型和n型。

p型半导体也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素，使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴多，自由电子少，主要靠空穴导电。掺入的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能就越强。

N型半导体也称为电子型半导体。在纯净的硅晶体中掺入五价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子多，空穴少，主要靠自由电子导电。掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能就越强。

2.1.2半导体光催化剂

光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。光触媒就是光催化剂。

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，并且生成氧气。

当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子和空穴。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物二氧化碳和水。

光触媒的材料众多，包括二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉等多种氧化物硫化物半导体。光催化剂可以根据需要的太阳光的波长不同，分为可见光光催化剂和不可见光光催化剂。其中可见光光催化剂二氧化钛因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。

3.纳米技术和光催化

纳米技术是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

纳米技术的融入可以改善光催化技术的不足。光催化剂的纳米化可以使其比表面积增大，与光和有机物的接触面积增大，效率提高。同时拉近了距离，使光生载流子不易被复合，作用时间增长。但是同时增大了能级，吸收光偏紫外，吸收可见光的效率低。

例如最常用的光催化剂二氧化钛。在20世纪70年代纳米量级二氧化钛的光催化特性被发现，在国内外的研究中，都可以展现出纳米量级二氧化钛的优势，在处理大气污染、水污染，实现自我清洁方面也是有许多值得研究的内容。

由于直接使用纳米二氧化钛粉体材料存在难分离回收、不能重复利用等困难，不仅限制了该材料的实际应用，而且必将大大提高其使用成本。因此，我们采用特殊工艺技术制成的水溶二氧化钛胶体、浆料，形成纳米二氧化钛薄

膜，既保持了纳米二氧化钛光催化氧化还原特性，又克服了粉体应用的不足，为其推广应用带来了极大的便利。

4.光催化技术的应用

4.1光催化技术在环保方面的应用

随着对环境污染控制研究的日益重视，光催化氧化法被应用于气相和水相中一些难降解污染物的治理研究，并取得了显著的效果。许多有机物甚至无机物都能有效地进行光催化反应，最终生成无机小分子物质，消除其对环境的污染以及对人体健康的危害。

光催化技术处理环境污染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。但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。因此气相中的光催化技术的研究有特别的难点。

4.2光催化在卫生保健方面的应用

光催化剂在光的作用下，生成光生空穴和光生电子，表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。超氧负离子和氢氧自由基都是强氧化剂，可以可以用于生活用水的杀菌消毒；负载TiO2光催化剂的玻璃，陶瓷等是医院、宾馆等各种卫生设施抗菌除臭的理想材料。

这样的光催化杀菌剂有具有杀菌能力强、杀菌彻底、防霉、稳定等优势。

光催化剂还可以通过有选择地局部注射微粒到瘤内，随后用光导纤维传导紫外光集中照射瘤组织体，光激发光催化剂颗粒表面生成强活性的反应氧类直接渗透进入瘤组织体，而杀死瘤组织体内的恶性细胞。

4.3光催化剂在自清洁涂层方面的应用

在紫外光照射下，水在氧化钛薄膜上完全浸润。因此，在浴室镜面、汽车玻璃及后视镜等表面涂覆一层二氧化钛可以起到防结雾的作用。

在窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表面涂覆一层二氧化钛薄膜，利用二氧化钛在太阳光照射下产生的的强氧化能力和超亲水性，可以实现表面自清洁。

4.4纳米二氧化钛在塑料中的应用

利用纳米二氧化钛透光、粒度小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能大大提高。在有机玻璃生产时加入表机经修饰的纳米二氧化钛可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的。

5.总结

光催化技术凭借在去除有机物方面彻底、稳定、不产生二次污染物、光催化剂使用时间久等优势，在日后的生活中有极大的发展前景。然而，我们还是面临着许多挑战和难题。日后将研究方向放在日常生活光催化技术的应用方面，以及光催化技术的可见光范围化，光催化技术必定有更大的作用。

参考文献