光催化废气处理原理

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光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物。

目录 1原理介绍 2光催化应用

折叠编辑本段原理介绍

光催化原理

半导体大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带(ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。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(e-)和空穴(h+)。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CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。 折叠编辑本段光催化应用

光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物。利用光催化净化技术去除空气中的有机污染物具有以下特点：

1直接用空气中的氧气做氧化剂，反应条件温和（常温 常压）

2可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果彻底。

3半导体光催化剂化学性质稳定，氧化还原性强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长。

光催化净化技术具有室温深度氧，二次污染小，运行成本低和可望利用太阳光为反应光源等优点，所以光催化特别合适室内挥发有机物的净化，在深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。

常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物，如Tio2, ZnO,CdS,WO3等，其中Tio2的综合性能最好，应用最广。自1972年Fujishima和Honda发现在受辐照的Tio2上可以持续发生水的氧化还原反应，并产生H2以来，人们对这一催化反应过程进行了大量研究。结果表明，Tio2具有良好的抗光腐蚀性和催化活性，而且性能稳定，价廉易得，无毒无害，是目前公认的最佳光催化剂。该项技术不仅在废水净化处理方面具有巨大潜力，在空气净化方面同样具有广阔的应用前景。

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光催化原理、应用及常见问题

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随着全球工业化进程的加速，环境污染问题日益严重，环境治理已受到世界各国的广泛重视，其中政府在环境治理方面投入了巨大的人力、物力和财力对环境净化材料和环境净化技术的研究和产业化提供支持，其中，光催化材料和光催化技术占有重要的地位。TiO2是一种常用的光催化材料，具有活性高、稳定性好，几乎可以无选择地将有机物进行氧化，不产生二次污染，对人体无害，价格便宜等诸多优点，成为最受重视和具有广阔应用前景的光催化材料。

光催化材料在紫外光或太阳光的作用下，激发价带上的电子（e-）跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴（h+），光生空穴与光催化材料表面的水反应，生成羟基自由基，而光生电子与光催化剂表面的氧反应，生成超氧负离子。羟基自由基和超氧负离子具有较强的氧化还原电位，可将挥发性有机物氧化分解成无害的CO2和H2O，达到净化空气、分解挥发性有机物的目的。二氧化钛光催化材料在光照下能一直持续释放自由基，对挥发性有机物进行氧化分解，而自己不发生变化，具有长期活性。

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1、光催化反应原理

羟基自由基和超氧负离子是除氟之外，最强的氧化剂，但是氟对人体和环境有着巨大的危害，在很多场合不再使用。

2、常温催化材料

光催化材料是一种常温催化材料，可在室温及稍高温度下进行反应（通常低于65℃）。提高光催化材料性能的途径有三个：一个是降低纳米催化材料粒子的粒径，目的在于提高光催化材料的比表面积；二是通过金属掺杂、过渡金属掺杂和非金属离子掺杂改变半导体催化剂的性质来提高光催化性能；三是通过表面修饰和敏化，改变半导体催化剂的表面的形貌和结构，而引起表面性能的优化。

3、光催化材料应用中的影响因素

湿度的影响：光催化反应中，羟基自由基来源于水，所以必须保持有一定的湿度才能持续产生羟基自由基；在闭环的光催化反应中，已经证实随着水的不断消耗，光催化性能在不断的下降。

姓 学号：0903032038

合 肥 学 院

化学与材料工程系

固

体

物

理

姓 名： 杜鑫鑫

班 级： 09无机非二班

学 号： 0903032038

课题名称： 光催化原理及应用

指导教师： 韩成良 光催化原理及应用

引言：目前，全球性环境污染问题受到广泛重视。光催化反应可对污水中的农药、染料等污染物进行降解，还能够处理多种有害气体；光催化还可应用于贵金属回收、化学合成、卫生保健等方面。光催化反应在化工、能源及环境等领域都有广阔的应用前景。本文论述了主要光催化剂类型及光催化技术的应用研究成果。

关键词： 光催化、应用、发展、环境、处理

光催化机理：

半导体材料在紫外及可见光照射下，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。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)。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。

例如TiO2是一种半导体氧化物，化学稳定性好(耐酸碱和光化学腐蚀)，无毒，廉价，原料来源丰富。 TiO2在紫外光激发会产生电子－空穴对，锐钛型TiO2激发需要3.2 eV的能量，对应于380 nm左右的波长。光催化活性高(吸收紫外光性能强；能隙大，光生电子的还原性和和空穴的氧化性强)。因此其广泛应用于水纯化，废水处理，有毒污水控制，空气净化，杀菌消毒等领域。

主要的光催化剂类型：

1．1 金属氧化物或硫化物光催化剂

常见的金属氧化物或硫化物光催化剂有TiO，、ZnO、WO3、Fe2O3 、ZnS、CdS和PbS等。其中，CdS的禁带宽度较小，与太阳光谱中的近紫外光段有较好的匹配性，可以很好地利用自然光源，但容易发生光腐蚀，使用寿命有限。TiO，具有催化能力强、化学稳定性好、无毒、价格低等优点，是目前研究和应用最广泛的光催化剂。为提高金属氧化物或硫化物光催化剂的催化性能，可对其进行修饰改性。

5.2低温等离子模块工作原理

设备的核心反应区域，废气分子被低温等离子体轰击、氧化。

低温等离子是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。这个体系中因总的正、负电荷数相等，放电过程中虽然电子能量很高，但重粒子能量很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子以每秒钟300万至3000万速度的等量发射和回收，轰击发生异味的分子，从而发生氧化等一系列复杂的化学反应，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解异味污染物的目的。

等离子光谱线图

低温等离子体电子能量图 低温等离子的反应实质是利用高达7到10电子伏的高能电子以每秒钟300万至3000万速度的等量发射和回收，轰击废气的分子将废气分子中化学键打开（苯环中化学键能为3电子伏），使其处于极不稳定态，与伴生的强氧化剂羟基和活性氧原子等发生氧化反应，最终生成二氧化碳和水。

 等离子主要反应原理：

常见的产生等离子体的方法是气体放电，所谓气体放电是指通过某种机制使一个或几个电子从气体原子或分子中电离出来，形成的气体煤质称为电离气体，如果电离气体由外电场产生并形成传导电流，这种现象称为气体放电，根据放电产生的机理、气体的压强范围、电源性质以及电极的几何形状等，等离子体主要分为以下7种形式：

①辉光放电；

②电晕放电；

③介质阻挡放电；

④射频放电；

⑤微波放电；

⑥滑动电弧放电；

⑦大气压辉光放电。

一般对异味气体的治理均在常压下进行，而能在常压下产生低温等离子体的只有电晕放电和介质阻挡放电两种形式。

兰宝低温等离子技术是采用电晕放电的形式。电晕放电的原理是使用曲率半径很小的电极，如针状或细线状电极，并在电极上加高电压，由于电极的曲率半径很小，而靠近电极区域的电场特别强，电子逸出阳极，发生非均匀放电，称为电晕放电。其性能与结构有关，决定着有机物（异味气体）的去除效果。兰宝低温等离子模块有绝缘外壳、电晕极板、电晕线、接线端子及脉冲式等离子发生器。电晕极板插装在绝缘外壳的卡槽内，电晕线装在两电晕极板之间，并通过绝缘外壳上的电晕线安装座固定，调整螺栓调整电晕线松紧，脉冲等离子发生器通过高压线接在接线端子上，接线端子固定在绝缘外壳上。