文档介绍：233 第八章光催化技术第一节多相光催化技术人们使用“多相光催化”这一术语描述在有光参与的情况下,发生在催化剂及其表面吸附物 ( 如 H 2 O 、 O 2分子和被分解物等) 多相之间的一种光化学反应。多相光催化的研究起源于 1972 年,日本 Fujishima 和 Honda[1] 在 Nature 杂志上报道,发现在光辐射的 TiO 2 半导体电极和金属电极所组成的电池中,可持续发生水的氧化还原反应,产生 H 2。这一发现非常有意义,表明通过半导体电极,可把光能转化为化学能。从那时起,来自化学、物理、材料等领域的许多科学家们围绕太阳能的转化和储存、光化学合成,进行大量的研究, 探索该过程的原理,致力提高光催化效率[2,3,4,5] 。 Fujishima 和 Honda 的研究工作引起了人们对半导体在光作用下能否用于污染控制的兴趣,而半导体光电化学的研究结果为开展这一工作奠定了基础。从七十年代初期以来, 国外许多学者竞相开展这方面的研究。 1976 年, J. H. Cary[6] 报道了 TiO 2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯,注意到 TiO 2水体系在光照条件下可非选择性氧化( 降解) 各类有机物,并使之彻底矿化,生成 CO 2 和 H 2 O。同年 S. N. Frank 等研究了多晶电极/氙灯作用下对二苯酚、 I - 、 Br - 、 Cl - 、 Fe 2 + 、 Ce 3+ -的光解[7] 和用粉末来催化光解水中污染物取得了满意的结果[8] 。S. N. Frank 等[ 9 ] 在 1977 年又用 TiO 2 、ZnO 、CdS 、 Fe 2 O 3 、 WO 3 等多种催化剂在氙灯作光源情况下, - 和 SO 3 2 -进行光解研究,结果 TiO 2 、 ZnO 、CdS - O - ;TiO 2 、 ZnO 、CdS 和 Fe 2 O 3能有效催化氧化 SO 3 2 - 为 SO 4 2 - , 其反应速度均大于 × 10 -6 mol / (d · cm 2 )。八十年代中期开始,我国学者也开展了半导体光催化的研究。各国环境科学工作者在这一领域进行了广泛而深入的探索,取得了许多可喜的成绩,并在环保方面得到了应用。大量研究证实,烃类和多环芳烃、卤化芳烃化合物、染料、表面活性剂、农药、油类、氰化物等都能有效地进行光催化反应,脱色、去毒,矿化为无毒无机小分子物质,从而消除对环境的污染。在二十多年的时间内,国际上就半导体(主要是 TiO 2 )光催化问题召开过多次学术会议,举行过高级研讨班和专题研讨会,出版了专著,发表的研究论文更是不计其数。半导体光催化是目前光化学方法应用于污染控制的诸多研究中最活跃的领域,成为污染控制化学研究的一个热点,形成了新的研究领域。 目前,国内外研究者就半导体光催化诸多方面的问题开展了深入地研究,其主要内容有:半导体光催化材料的筛选、制备,半导体光催化活性产生的机制及所产生的活性物种, TiO 2光催化剂的固定化及尺寸量子化,半导体光催化矿化各种有机物的机理,各种形式的半导体光催化反应器,水中和气相中各种污染物光催化降解动力学等。至今,已研究过的半导体光催化剂包括 TiO 2 、CdS 、 WO 3 、 Fe 2 O 3 、 ZnO 、ZnS 、 SnO 2等,其中 CdS 、TiO 2 催化活性最强,但 CdS 在光照条件下自身不稳定易发生化学或光化学腐蚀,而 TiO 2 的化学性质比较稳定且成本低、无毒、催化活性高、氧化能力强最为常用。但由于 TiO 2吸收的太阳能仅占总太阳能光强的 3% ,因此,围绕 TiO 2改性、提高太阳能的转化率、改进光催化方法和光反应器,提高光催化效率,仍然是广大研究者进行的一个课题。 234 一、多相光催化氧化还原机理光催化氧化还原以 n型半导体为催化剂,已经研究的 n型半导体包括: TiO 2 、ZnO 、 CdS 、 Fe 2 O 3 、 SnO 2 、 WO 3等。用五氯苯酚对各种催化剂光催化氧化活性进行了比较,结果表明 TiO 2 和 ZnO 的催化活性最好, CdS 也具有较好的活性,但 ZnO 和 CdS 在光照时不稳定,以至于光氧化与光腐蚀发生竞争,出水中往往含有 Zn 2+ 、 Cd 2+而不适用。 TiO 2 由于化学性质和光化学性质均十分稳定,且无毒价廉,货源充分,所以,光催化氧化还原去除污染物通常以 TiO 2作为光催化剂。光催化剂氧化还原机理主要是催化剂受光照射, 吸收光能, 发生电子跃迁,生成电子-空穴对,对吸附于表面的污染物,直接进行氧化还原,或氧化表面吸附的羟基 OH -,生成强氧化性的羟基自由基· OH 将污染物氧化。 (~ 10 4-10 6 Ω/cm