光催化反应及其环境应用
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14
Ref:国家环境保护总局.《长江三峡工程生态与环境监测公报》
1.2 环境问题
15
1.3 出路与对策
1、环境污染的全球化关注
半导体光催化是有希望的技术，可以大
量的应用于环境保护，例如，空气净化， 有毒废水处理，水的净化等。
绿色合成化学，如光催化有机合成
1.3 出路与对策
2、寻求可再生、清洁能源
氯气 氧气
反应式
·OH + H+ + e = H2O O3 + 2H+ + 2e = H2O + O2 H2O2 + 2H+ + 2e = 2H2O MnO4 + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O
ClO2 + e = Cl- + O2 Cl2 + 2e = 2ClO2 ＋ 4e ＝ 2O2-
人口和生活质量的提高，全球能源消耗每年仍以2％速 度增加，唯一出路是新增部分由可再生能源补充。
TW=1012W
1.3 出路与对策
可再生能源的特点
自然能(风能、太阳能等)的特点： • 周期性：一年四季，早晚变化 • 分散性：总体能量巨大，单位面积能量密度很低； • 地域性：人口密集区往往自然能源不多
▪ 电荷复合主要由>Ti(Ⅲ)在初期的10 ns内发生。 ▪ 10 ns后捕获价带空穴形成长寿命的>TiOH·+。 ▪ 100 ns后 >TiOH·+与导带电子或底物反应，重新形成>TiOH。 ▪ 在4a步中动力学平衡是导带电子在导带边缘的浅捕获，是可逆捕获，
2.3、光催化的基本原理
3、光电化学过程中的主要动力学
2.4、光催化反应的动力学因素
1、异相光催化反应的化学计量学
通常化学物质的光催化速率能采用经验方法加以处理，而不考虑其 详细机理。如：TiO2光催化氯仿，可按如下方程式发生反应：
在充分混合的悬浮体系中，氯仿降解速率与标准动力学关系一致：
• 尽管从反应机理层面来看，光催化 反应是通过表面羟基自由基(>TiOH·) 脱氢原子开始的，
2.3、光催化的基本原理
H2O2作为电子给体或者经过均裂成为羟基自由基降解有机物 以及作为电子受体来降解无机电子给体。 然而，需要说明的是按照电子－空穴的氧化还原电极电势，在含空 气的水溶液中，H2O2理论上经过以下两种不同的途径形成：
而同位素标记实验证实：H2O2的形成是由导带电子还原吸附氧气。如果 缺少氧气的话，H2O2不能检测到。
氧化电位(V) 2.80 2.07 1.77 1.52 1.50 1.30 1.23
2.3、光催化的基本原理
2、光催化的基本过程及其特征时间
2.3、光催化的基本原理
2、光催化的基本过程及其特征时间
▪ 当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB) 激发到导带(CB)形成光生载流子(电子-空穴对)。
高效地收集、转换、储存？
1.3 出路与对策
储存：化学相变储热、光化学储能；
太阳能的利用：转换：光化学合成、太阳能光解水，热解制氢；
利用：光电化学电池
太阳能热利用
光伏效应
光电化学电池
O2
e
H2
sc
M
H2O
光↔化学能转化
1.3 出路与对策
3、环境与能源问题的基本解决方案 光催化环境净化 光催化有机合成 太阳能电池
• 为此，发展先进的分析化学，生物化学，物理化学技术消除大气 ，土壤，水中的有毒化学物质势在必行。
2.2、污染物的处理方法简介
• 常规污染物方法包括：高温焚烧，活化污泥处理，消化，厌氧消 化和一些常规物理化学处理。
• 化学处理方法： 1. 化学氧化法：如，Fenton试剂和臭氧氧化法。 2. 树脂吸附法：大孔吸附树脂具有大比表面、容易再生、能够回收
60年
《BP世界能源统计2007》的数
据表明，全球石油储量可供生
产40年，天然气和煤炭则分别
可以供应65年和162年
40年
160年
亿万年形成的化石燃料不过支持了约300年的现代工业文明！如果几 十年里不能发展出替代能源，石油危机也就不可避免了。
1.1 能源问题
4、能源分类
按产生方式不同: 一次能源(primary energy)：自然存在的、可以直接利用的能源
化石燃料 风能
水力能
太阳能
地热能
核能
二次能源(secondary energy)：无法从自然界直接获取，必须经过 一次能源的消耗才能得到的能源。如电力，汽油，煤气，蒸气等
1.1 能源问题
按可否再利用： 可再生能源(renewable energy)—不断获得补充的能源，如，太阳 能、生物质能、化学电源、氢能等
▪ 农药：我国每年农药产量大约20万吨，还从国外进口农药75 万吨。通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。
▪ 三峡库区的主要农药污染源依然是有机磷农药中“1605”、甲 胺磷和有机氮农药中呋喃丹三个品种，这三个品种的排毒系 数之和占总排毒系数的91.4%。
• 生物多样性：每10年5～10％物种消失。
2.2、污染物的处理方法简介
利用纳米二氧化钛的光催化原理处理有机物，不仅可以直接利 用太阳能，而且对有机物的处理比较彻底，不带来新的污染源
2.3、光催化的基本原理
1、光催化机理
▪ 半导体材料在紫外及可见光照射下，将污染物短时间内完全降解 或矿化成对环境无害的产物，或将光能转化为化学能，并促进有 机物的合成与分解，这一过程称为光催化。
洛杉矶光化学烟雾
酸雨效应
甘肃沙尘暴
1.2 环境问题
113重点城市空气质量级别
1.2 环境问题
3、荒漠化
森林破坏速度：每年1130万公顷，以0.35毁灭； 荒漠化面积：～地球陆地1/4;
1.2 环境问题
4、水体污染
▪ 染料废水：是目前难降解的工业废水之一，其毒性大，色泽深， 严重危害了生态环境。
太阳能光解水、甲醇、生物质制氢 ......
二、光催化的主要理论
2.1、一般背景
• 有毒废水通常采用氧化塘，地下储水池和垃圾场等手段处理。其 结果是使土壤，地下水和地表水被污染。
• 污染通常涉及重金属，运载工具燃料，溶剂和去污剂以及有毒有 害化学物质等。
• 有毒有害有机物包括：溶剂，挥发性有机物，氯代有机物，二恶 英 ， 三 氯 乙 烯 (TCE) ， 高 氯 酸 乙 烯 (PCE) ， CCl4 ， HCCl3 ， CH2Cl2，P-氯苯，六氯环五烷二烯。
▪ 在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因为载流子复 合而以热的形式耗散。
▪ 价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。大多数有机光 降解是直接或间接利用了空穴的强氧化能力。
▪ 普通的氯代烃异相催化完全降解成CO2和无机物的一般化学式如下:
2.3、光催化的基本原理
3、光电化学过程中的主要动力学
环境与能源材料
—二氧化钛等半导体材料在环境催化与太阳
能利用领域的研究进展
一、研究背景
1.1 能源问题
1、化石能源的不可再生性
煤、石油、天然气均是亿万年地球运动积累而成，不能循 环使用，也不可能大量地人工合成，不可能回收。
光合作用是唯一可利用CO2 和水合成有机物的反应－地球上最 伟大的反应
1.1 能源问题
2.3、光催化的基本原理
4、光生空穴的氧化作用
▪ 氧化反应既可以通过表面键合的羟基自由基(TiOH·+，表面-OH捕 获空穴形成)而间接发生，
▪ 也可以在微粒内部或表面捕获价带空穴之前，氧化反应与价带空 穴直接发生。
▪ 在光催化降解芳香族卤化物时，中间物是其羟基化产物的结果表 明，在TiO2体系中，羟基自由基是其主要的氧化剂。
1.2 环境问题
目前全球臭氧层正以每年2%至3%的速度削减，如 果任其发展，在21世纪末平流层臭氧含量将降至目 前的一半以上，届时人类将会面临一场空前的浩劫!
南极上空的臭氧层空洞
气候的变化，将对全球生态带来不可估量的影响。 对于人类而言，灾难可能就出现在“后天”
1.2 环境问题
2、大气污染
全球每年排放SO2 2.9亿吨，NOx约为5千万吨，可吸入粉尘 →酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病•••
▪ 半导体光催化氧化降解有机物的作用机理：
O2 ＋ ec.b¯ → O2·‾
(1)
H2O ＋ h+ → ·OH ＋ H+
(2)
·OH ＋ ·OH → H2O2
(3)
H2O2 ＋ O2·‾ → ·OH ＋ OH-＋ O2 (4)
2.3、光催化的基本原理
1、光催化机理
氧化剂 羟基自由基
臭氧 过氧化氢 高锰酸根 二氧化氯
2.3、光催化的基本原理
5、活性氧形态的形成-光生电子的还原作用
当存在合适的电子给体时，在光照TiO2的表面，导带电子通过还 原空气中的氧气，形成过氧化氢，其机理如下：
源自文库
2.3、光催化的基本原理
光催化过程中，氧气作为电子受体，接受两个电子后产生H2O2。 羟基自由基是由hvb+与吸附H2O、氢氧化物或表面钛离子(>TiOH)在 TiO2表面上形成。
2.3、光催化的基本原理
▪ 关于氧化反应是通过表面羟基自由基间接发生，还是价带空穴直 接作用的问题，在Richard的有关实验获得证实： ▪ Richard认为在ZnO或TiO2上发生光催化氧化4-羟基甲苯(HBA) 时，空穴和自由基都参与了反应。 ▪ 并提出空穴和羟基自由基在光氧化HBA时有不同的区域选择性。 ▪ 对苯二酚(HQ)被认为是由hvb+直接氧化HBA的产物， ▪ 二羟基甲苯(DHBA)是由·OH氧化的产物， ▪ 4-羟基苯乙醇(HBZ)是由两种方式产生。 ▪ 有异丙基醇(i-PrOH)作为·OH淬灭剂时，DHBA和HBZ的形成 受到抑制。
• 但从其化学计量式可以看出：决定 氯仿降解反应速率的主要因素是的 可资利用的氧气浓度。
2.4、光催化反应的动力学因素
• 除非电子受体(eg, O2，H2O2, BrO4-, IO4-)在光催化反应中能连续供应， 不然电子受体耗尽后，光催化速率将由于电荷复合而显著下降。
• 缺O2时主要的氧化剂是表面羟基自由基([>TiOH·]+)，总化学计量式是：
2、资源分布的不均匀性
石油：中东地区的剩余可开采储量约占世界总量的2/3。 煤炭：美、俄、中占剩余可开采储量 50%以上 。 天然气：中东和前苏联地区剩余可开采储量占70％以上。
地区间政治、经济和军事冲突的主要原因
1.1 能源问题
3、资源的短缺性
在过去100年里，人类消耗了1420亿吨石油和2650亿吨煤， 消费了世界56％的石油和60％以上的天然气，以及50％以上 的重要矿产资源。
▪ ESR研究证实TiO2水溶液中存在羟基自由基和过氧羟基自由基。 ▪ 降解率和有机物污染物被吸附到表面的浓度的关联性实验结果也
表明：羟基自由基和捕获的空穴能够在催化剂表面被直接利用。
2.3、光催化的基本原理
▪ 已观察到三氯乙酸和草酸的氧化过程主要由TiO2的空穴完成。 ▪ 获得了紧密束缚的电子给体的直接空穴氧化反应的实验证据。 ▪ 这些电子给体包括：甲酸，乙酸和乙醛酸。 ▪ 乙醛酸的二羟乙酸形式通过直接空穴转移形成甲酸中间体。
有机物等优点。 3. 乳状液膜分离：综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的优点，特别
适合于分离水溶液中呈溶解态的有机污染物。 4. 半导体光催化氧化法：
2.2、污染物的处理方法简介
• 1972年，Fujishima 在 n-型半导体TiO2电极上发现了水的光催化 分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
• 1977年，发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催化活性， 拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新思路。
• 此后，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研 究发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。
光催化除纯化空气和水外，在杀灭细菌和病毒类微生物、癌 细胞失活，消除异味，产氢，固氮，捕获石油泄漏等方面 也有广泛的应用。
▪ 上述界面电荷载转移总量子效率可通过两个关键步骤估计。 ▪ 电荷载流子复合与捕获之间的竞争(皮秒对纳秒)， ▪ 捕获载流子的复合与界面电荷转移之间的竞争(微秒对毫秒)。
▪ 稳定的光照下，无论是电荷载流子复合时间的延长还是界面电 荷转移率常数的增加都能获得较高的量子效率。
▪ 界面电荷转移率常数和电荷复合时间是决定TiO2光催化活性的 重要因素。
不可再生能源—一旦开采枯竭，便不能再恢复。如煤、石油、核 燃料等
1.1 能源问题
5、能源材料：
• 与能源开发、运输、转换、储存和利用等过程相关的材料. • 包括：储能材料、节能材料、能量转换材料和核能材料.
1.2 环境问题
1、温室效应
全球气候在近几十年同步变暖，明显开始发生温室效应。
全球每年排放的CO2 高达 240亿吨之巨，几乎未经任何处理!
Ref:国家环境保护总局.《长江三峡工程生态与环境监测公报》
1.2 环境问题
15
1.3 出路与对策
1、环境污染的全球化关注
半导体光催化是有希望的技术，可以大
量的应用于环境保护，例如，空气净化， 有毒废水处理，水的净化等。
绿色合成化学，如光催化有机合成
1.3 出路与对策
2、寻求可再生、清洁能源
氯气 氧气
反应式
·OH + H+ + e = H2O O3 + 2H+ + 2e = H2O + O2 H2O2 + 2H+ + 2e = 2H2O MnO4 + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O
ClO2 + e = Cl- + O2 Cl2 + 2e = 2ClO2 ＋ 4e ＝ 2O2-
人口和生活质量的提高，全球能源消耗每年仍以2％速 度增加，唯一出路是新增部分由可再生能源补充。
TW=1012W
1.3 出路与对策
可再生能源的特点
自然能(风能、太阳能等)的特点： • 周期性：一年四季，早晚变化 • 分散性：总体能量巨大，单位面积能量密度很低； • 地域性：人口密集区往往自然能源不多
▪ 电荷复合主要由>Ti(Ⅲ)在初期的10 ns内发生。 ▪ 10 ns后捕获价带空穴形成长寿命的>TiOH·+。 ▪ 100 ns后 >TiOH·+与导带电子或底物反应，重新形成>TiOH。 ▪ 在4a步中动力学平衡是导带电子在导带边缘的浅捕获，是可逆捕获，
2.3、光催化的基本原理
3、光电化学过程中的主要动力学
2.4、光催化反应的动力学因素
1、异相光催化反应的化学计量学
通常化学物质的光催化速率能采用经验方法加以处理，而不考虑其 详细机理。如：TiO2光催化氯仿，可按如下方程式发生反应：
在充分混合的悬浮体系中，氯仿降解速率与标准动力学关系一致：
• 尽管从反应机理层面来看，光催化 反应是通过表面羟基自由基(>TiOH·) 脱氢原子开始的，
2.3、光催化的基本原理
H2O2作为电子给体或者经过均裂成为羟基自由基降解有机物 以及作为电子受体来降解无机电子给体。 然而，需要说明的是按照电子－空穴的氧化还原电极电势，在含空 气的水溶液中，H2O2理论上经过以下两种不同的途径形成：
而同位素标记实验证实：H2O2的形成是由导带电子还原吸附氧气。如果 缺少氧气的话，H2O2不能检测到。
氧化电位(V) 2.80 2.07 1.77 1.52 1.50 1.30 1.23
2.3、光催化的基本原理
2、光催化的基本过程及其特征时间
2.3、光催化的基本原理
2、光催化的基本过程及其特征时间
▪ 当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB) 激发到导带(CB)形成光生载流子(电子-空穴对)。
高效地收集、转换、储存？
1.3 出路与对策
储存：化学相变储热、光化学储能；
太阳能的利用：转换：光化学合成、太阳能光解水，热解制氢；
利用：光电化学电池
太阳能热利用
光伏效应
光电化学电池
O2
e
H2
sc
M
H2O
光↔化学能转化
1.3 出路与对策
3、环境与能源问题的基本解决方案 光催化环境净化 光催化有机合成 太阳能电池
• 为此，发展先进的分析化学，生物化学，物理化学技术消除大气 ，土壤，水中的有毒化学物质势在必行。
2.2、污染物的处理方法简介
• 常规污染物方法包括：高温焚烧，活化污泥处理，消化，厌氧消 化和一些常规物理化学处理。
• 化学处理方法： 1. 化学氧化法：如，Fenton试剂和臭氧氧化法。 2. 树脂吸附法：大孔吸附树脂具有大比表面、容易再生、能够回收
60年
《BP世界能源统计2007》的数
据表明，全球石油储量可供生
产40年，天然气和煤炭则分别
可以供应65年和162年
40年
160年
亿万年形成的化石燃料不过支持了约300年的现代工业文明！如果几 十年里不能发展出替代能源，石油危机也就不可避免了。
1.1 能源问题
4、能源分类
按产生方式不同: 一次能源(primary energy)：自然存在的、可以直接利用的能源
化石燃料 风能
水力能
太阳能
地热能
核能
二次能源(secondary energy)：无法从自然界直接获取，必须经过 一次能源的消耗才能得到的能源。如电力，汽油，煤气，蒸气等
1.1 能源问题
按可否再利用： 可再生能源(renewable energy)—不断获得补充的能源，如，太阳 能、生物质能、化学电源、氢能等
▪ 农药：我国每年农药产量大约20万吨，还从国外进口农药75 万吨。通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。
▪ 三峡库区的主要农药污染源依然是有机磷农药中“1605”、甲 胺磷和有机氮农药中呋喃丹三个品种，这三个品种的排毒系 数之和占总排毒系数的91.4%。
• 生物多样性：每10年5～10％物种消失。
2.2、污染物的处理方法简介
利用纳米二氧化钛的光催化原理处理有机物，不仅可以直接利 用太阳能，而且对有机物的处理比较彻底，不带来新的污染源
2.3、光催化的基本原理
1、光催化机理
▪ 半导体材料在紫外及可见光照射下，将污染物短时间内完全降解 或矿化成对环境无害的产物，或将光能转化为化学能，并促进有 机物的合成与分解，这一过程称为光催化。
洛杉矶光化学烟雾
酸雨效应
甘肃沙尘暴
1.2 环境问题
113重点城市空气质量级别
1.2 环境问题
3、荒漠化
森林破坏速度：每年1130万公顷，以0.35毁灭； 荒漠化面积：～地球陆地1/4;
1.2 环境问题
4、水体污染
▪ 染料废水：是目前难降解的工业废水之一，其毒性大，色泽深， 严重危害了生态环境。
太阳能光解水、甲醇、生物质制氢 ......
二、光催化的主要理论
2.1、一般背景
• 有毒废水通常采用氧化塘，地下储水池和垃圾场等手段处理。其 结果是使土壤，地下水和地表水被污染。
• 污染通常涉及重金属，运载工具燃料，溶剂和去污剂以及有毒有 害化学物质等。
• 有毒有害有机物包括：溶剂，挥发性有机物，氯代有机物，二恶 英 ， 三 氯 乙 烯 (TCE) ， 高 氯 酸 乙 烯 (PCE) ， CCl4 ， HCCl3 ， CH2Cl2，P-氯苯，六氯环五烷二烯。
▪ 在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因为载流子复 合而以热的形式耗散。
▪ 价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。大多数有机光 降解是直接或间接利用了空穴的强氧化能力。
▪ 普通的氯代烃异相催化完全降解成CO2和无机物的一般化学式如下:
2.3、光催化的基本原理
3、光电化学过程中的主要动力学
环境与能源材料
—二氧化钛等半导体材料在环境催化与太阳
能利用领域的研究进展
一、研究背景
1.1 能源问题
1、化石能源的不可再生性
煤、石油、天然气均是亿万年地球运动积累而成，不能循 环使用，也不可能大量地人工合成，不可能回收。
光合作用是唯一可利用CO2 和水合成有机物的反应－地球上最 伟大的反应
1.1 能源问题
2.3、光催化的基本原理
4、光生空穴的氧化作用
▪ 氧化反应既可以通过表面键合的羟基自由基(TiOH·+，表面-OH捕 获空穴形成)而间接发生，
▪ 也可以在微粒内部或表面捕获价带空穴之前，氧化反应与价带空 穴直接发生。
▪ 在光催化降解芳香族卤化物时，中间物是其羟基化产物的结果表 明，在TiO2体系中，羟基自由基是其主要的氧化剂。
1.2 环境问题
目前全球臭氧层正以每年2%至3%的速度削减，如 果任其发展，在21世纪末平流层臭氧含量将降至目 前的一半以上，届时人类将会面临一场空前的浩劫!
南极上空的臭氧层空洞
气候的变化，将对全球生态带来不可估量的影响。 对于人类而言，灾难可能就出现在“后天”
1.2 环境问题
2、大气污染
全球每年排放SO2 2.9亿吨，NOx约为5千万吨，可吸入粉尘 →酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病•••
▪ 半导体光催化氧化降解有机物的作用机理：
O2 ＋ ec.b¯ → O2·‾
(1)
H2O ＋ h+ → ·OH ＋ H+
(2)
·OH ＋ ·OH → H2O2
(3)
H2O2 ＋ O2·‾ → ·OH ＋ OH-＋ O2 (4)
2.3、光催化的基本原理
1、光催化机理
氧化剂 羟基自由基
臭氧 过氧化氢 高锰酸根 二氧化氯
2.3、光催化的基本原理
5、活性氧形态的形成-光生电子的还原作用
当存在合适的电子给体时，在光照TiO2的表面，导带电子通过还 原空气中的氧气，形成过氧化氢，其机理如下：
源自文库
2.3、光催化的基本原理
光催化过程中，氧气作为电子受体，接受两个电子后产生H2O2。 羟基自由基是由hvb+与吸附H2O、氢氧化物或表面钛离子(>TiOH)在 TiO2表面上形成。
2.3、光催化的基本原理
▪ 关于氧化反应是通过表面羟基自由基间接发生，还是价带空穴直 接作用的问题，在Richard的有关实验获得证实： ▪ Richard认为在ZnO或TiO2上发生光催化氧化4-羟基甲苯(HBA) 时，空穴和自由基都参与了反应。 ▪ 并提出空穴和羟基自由基在光氧化HBA时有不同的区域选择性。 ▪ 对苯二酚(HQ)被认为是由hvb+直接氧化HBA的产物， ▪ 二羟基甲苯(DHBA)是由·OH氧化的产物， ▪ 4-羟基苯乙醇(HBZ)是由两种方式产生。 ▪ 有异丙基醇(i-PrOH)作为·OH淬灭剂时，DHBA和HBZ的形成 受到抑制。
• 但从其化学计量式可以看出：决定 氯仿降解反应速率的主要因素是的 可资利用的氧气浓度。
2.4、光催化反应的动力学因素
• 除非电子受体(eg, O2，H2O2, BrO4-, IO4-)在光催化反应中能连续供应， 不然电子受体耗尽后，光催化速率将由于电荷复合而显著下降。
• 缺O2时主要的氧化剂是表面羟基自由基([>TiOH·]+)，总化学计量式是：
2、资源分布的不均匀性
石油：中东地区的剩余可开采储量约占世界总量的2/3。 煤炭：美、俄、中占剩余可开采储量 50%以上 。 天然气：中东和前苏联地区剩余可开采储量占70％以上。
地区间政治、经济和军事冲突的主要原因
1.1 能源问题
3、资源的短缺性
在过去100年里，人类消耗了1420亿吨石油和2650亿吨煤， 消费了世界56％的石油和60％以上的天然气，以及50％以上 的重要矿产资源。
▪ ESR研究证实TiO2水溶液中存在羟基自由基和过氧羟基自由基。 ▪ 降解率和有机物污染物被吸附到表面的浓度的关联性实验结果也
表明：羟基自由基和捕获的空穴能够在催化剂表面被直接利用。
2.3、光催化的基本原理
▪ 已观察到三氯乙酸和草酸的氧化过程主要由TiO2的空穴完成。 ▪ 获得了紧密束缚的电子给体的直接空穴氧化反应的实验证据。 ▪ 这些电子给体包括：甲酸，乙酸和乙醛酸。 ▪ 乙醛酸的二羟乙酸形式通过直接空穴转移形成甲酸中间体。
有机物等优点。 3. 乳状液膜分离：综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的优点，特别
适合于分离水溶液中呈溶解态的有机污染物。 4. 半导体光催化氧化法：
2.2、污染物的处理方法简介
• 1972年，Fujishima 在 n-型半导体TiO2电极上发现了水的光催化 分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
• 1977年，发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催化活性， 拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新思路。
• 此后，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研 究发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。
光催化除纯化空气和水外，在杀灭细菌和病毒类微生物、癌 细胞失活，消除异味，产氢，固氮，捕获石油泄漏等方面 也有广泛的应用。
▪ 上述界面电荷载转移总量子效率可通过两个关键步骤估计。 ▪ 电荷载流子复合与捕获之间的竞争(皮秒对纳秒)， ▪ 捕获载流子的复合与界面电荷转移之间的竞争(微秒对毫秒)。
▪ 稳定的光照下，无论是电荷载流子复合时间的延长还是界面电 荷转移率常数的增加都能获得较高的量子效率。
▪ 界面电荷转移率常数和电荷复合时间是决定TiO2光催化活性的 重要因素。
不可再生能源—一旦开采枯竭，便不能再恢复。如煤、石油、核 燃料等
1.1 能源问题
5、能源材料：
• 与能源开发、运输、转换、储存和利用等过程相关的材料. • 包括：储能材料、节能材料、能量转换材料和核能材料.
1.2 环境问题
1、温室效应
全球气候在近几十年同步变暖，明显开始发生温室效应。
全球每年排放的CO2 高达 240亿吨之巨，几乎未经任何处理!