简析光催化技术及其研究现状

《资源节约与环保》2021

年第2

期

简析光催化技术及其研究现状

杭子清

(南通市生态环境监控中心江苏南通226007)

摘要：

随着环境污染问题日益加剧，人们逐渐意识到环境保

护的重要性，近年来各种水处理技术逐渐受到科学家们的青睐,

其中，高级氧化技术中的光催化氧化技术也逐渐成为广大研究

学者的热门研究方向

0文章以光催化氧化技术入手，综述了光催

化反应的基本原理、光催化反应影响因素以及光催化技术的发

展现状，同时讨论了光催化氧化技术今后可能的发展趋势，可以

为光催化技术的研究及发展及提供参考和借鉴，同时为环境保

护行业的发展提供更多参考方向。

关键词：半

导体；光催化；光催化活性

引言

随着化工、医药!服装等工业行业的迅猛发展，人类社会的

生产力在大幅度提升,经济也在逐年增长,与此同时,工业生产

带来的环境污染问题也愈加严重，目前显然已成为当今社会亟

待解决的问题之一，因此，当今社会人类和自然环境的可持续发

展变得尤为重要，治理并修复环境污染，同时开发新型可再生能

源势必会成为当今形势下科学研究的主流方向。印染废水、医药

废水等各种工业废水中存在大量有毒有害的物质"这些物质具

有较高的生物活性、缓慢的生物降解性和假性持续性等特点，长

期暴露于环境，不但会威胁人体健康，还会破坏生态系统的平

衡。目前对于有机污染物的去除技术有吸附、絮凝、生物氧化和

高级氧化法等，传统的处理工艺存在二次污染、去除不彻底、有

效度差、选择性高等缺点，限制了其大规模应用，相比之下，高级

氧化技术中的非均相光催化氧化技术，由于具有高效、价格低

廉、工艺简单等优势，被广泛应用于有机污染物的去除当中叫

1

光催化技术基本原理

化 能 化为化学能

的过程。根据固体能带理论，这些半导体材料的能带结构是由填

满电子的价带(VB

'和空的高能导带(CB

)构成，而且他们之间是

不连续的，因此在价带和导带之间存在一个禁带，我们把价带顶

和导带底之间能量差称为禁带宽度(Eg

)0具体光催化的基本原

理如图1

所示，主要包括以下几个过程叫

(1

) 光的激发过程#当以大于禁带宽度(hv

!Eg

'的光照射半

时，其价带上的电子受到激发跃迁至导带上形成光生

电子(e0

)，同时在价带上留下等量的空穴(h1

),二者形成光生电

子空穴对，也称为光生载流子#

(2

) 载流子的迁移过程#是指在内部电场的作用下，光生电

子空穴对可以得到有效分离同时迁移至半导体的表面#

(3

) 氧化还原反应过程#光生电子可以与溶液中溶解的。

2 分子反应生成超氧自由基CO

20

)，光生空穴与可以与溶液中的

H

2O

分子或OH0

反应生成Q

基自由基(-OH

),生成的超氧自由基

和Q

基自由基以及光激发过程中产生的光生空穴可以与半导体

吸附的有机污染物发生氧化反应，从而实现对有机污染物的氧

化分解#

(4

)载流子的复合过程#游离的光生电子和光生空穴可以在

半导体的内部发生复合反应"或者迁移至半导体的表面发生复

合反应，复合反应发生的同时会释放出热能#

2

光催化活性的影响因素

2.1

催化剂

光催化的核心部分是光催化剂，催化剂活性更高，污水降解

效率更好#光催化氧化的催化剂一般为6

型半导体，目前已研究

过的6

型半导体包括TiO

2、ZnO

、C：S

、WO

3和Fe

zO

s等，其中TiO

?

和ZnO

的催化活性最好，但由于T8O

2的化学性质更稳定，且无

毒价廉、货源充足，被广泛应用叫

2.2

催化剂晶体结构

半导体光催化剂的晶体结构对光催化活性的影响，主要体

现在晶型、晶面%晶格间距和结晶度等的影响，某些催化剂可能

由于其晶体自身性质的原因，能够产生一定的晶格缺陷，晶格缺

陷既可以捕获光生电子或空穴，也可以作为载流子的复合中心,

对半导体光催化材料具有两个方面的影响#

除此之外,同种催化剂,晶型不同，光催化活性也会不同#例

如,TiO

2晶体有金红石型、锐钛矿型和板钛矿型3

种晶型，其中

锐钛矿型T8O

2化学性质较稳定,具有较大的比表面积，更容易吸

附有机相和-O

2",

因此其光催化活性更高叽

2.3

光源

光源是光催化反应的必要条件，光源的寿命、光强以及波长

范围等都会影响其光催化活性#由于参与光催化反应的半导体

122《资源节约与环保》2021

年第2

期

材料不连续的能带结构，只有在一定能量的光照射下，才能激发

它的催化活性，因此在研究中常用高压汞灯、黑光灯、I

灯和卤

L

灯等作为光催化反应的入射光源，可以较好地激发光催化材

料的催化活性，达到实验效果#

2.4

污染物浓度

由于-OH

在水体中不能长时间存在，所以光催化氧化反应

需要催化剂与底物充分接触吸附后才能有效发生#光催化反应

速率与被处理的污染物的浓度存在一定关系，研究表明，在相同

的操作条件下，不同的污水初始浓度完全矿化所需要的光照时

间不一样#由于光催化过程中的光子特性的缘故，过高浓度的有

机基质不仅会导致光催化剂表面呈现饱和状态，而且还会降低

光子效率，从而导致光催化剂的失活#

2.5

催化剂投加量

光催化反应主要发生在催化剂表面的活性位点上，因此在

一定范围内增大催化剂的投加量，可以为底物提供更多的反应

活性位点，从而达到产生更多的活性物质的目的，有利于提高光

催化效率#

2.6

光催化反应器

光催化反应器作为催化剂与污水系统的反应依托介质，其

构型必然会对光催化反应产生一定影响#依照不同的催化剂负

载形式，光催化水处理反应器构型一般可以分为两种主要的构

型：悬浮型和负载型#悬浮态光催化反应器：单位体积下催化剂

具有更高的比表面积，而且可以对催化剂的失活具有缓解作用,

但是缺点是不利于催化剂的回收利用#负载型光催化反应器:催

化剂可以连续循环使用，且操作易于控制，能够实现系统催化分

离一体化#

3

光催化技术的研究现状及展望

1972

年,Fujishima

和Honda

两位科学家首次在光照条件下

发现TiO2

电极可以分解水制取氢气和氧气叭自此以后光催化技

术逐渐被科学家们发现并发掘研究应用，目前光催化氧化技术

已经在光催化降解、光催化制氢、光催化除臭和光催化环保涂料

等各种领域得到了广泛应用冋#在光催化降解领域中，由于TiO

2、

ZnO

和CIS

等半导体材料催化性能的稳定性、且具有持久且无

害等优点，在光催化研究初期深受科学家们的青睐，目前利用这

些半导体光催化材料在降解水体中的有机污染物、还原重金属

离子以及在气相体系中的催化降解有机、无机气体污染物等方

向上已经取得了一定的进展#后来，由于光催化材料自身性质的

因素(如光响应范围窄、活性及稳定性较差或光腐蚀现象等),限

制了它们的进一步发展，因此对光催化材料进行一系列的改性

成为光催化领域的另一个重要研究方向，常用的改性方法有形

貌调控、负载助催化剂、元素掺杂和构筑异质结等#然而，光催化 技术同时也存在催化剂投加量大、回收困难、易团聚、易中毒失

活、清洗困难，光生电子-

空穴对无效复合率高，以及不能充分利

用催化剂的氧化性能等问题，因此光催化氧化技术与其他技术

的耦合技术应运而生，例如有光催化-

膜分离耦合技术、光催化-

生化耦合技术、光催化-电化学耦合技术、芬顿光催化氧化和臭

氧光催化氧化等旧比

结语

环境问题已经成为当今社会下各个领域方向所必须要考虑

的问题，它不单单关乎每个人的切身利益，更是人类社会发展不

可或缺的重要方向之一，新时代下寻求一种经济高效、操作简便

的水处理技术具有重要意义。通过对光催化氧化技术基本原理、

影响因素及发展现状等的介绍，充分体现光催化技术的优势及

其发展潜力，光催化氧化技术逐渐发展成熟，相信在不久之后必

定会为环境保护行业做出巨大的贡献#

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作者简介

杭子清(1988-

),男，硕士研究生，主要从事固体废物环境管

理、生态环境监测监控、环境影响评价等方面的研究和工作#

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