光催化氧化技术

1 光催化氧化技术及其在水处理中的应用

摘要：介绍了光催化氧化的机理及光催化氧化反应的主要影响因素，就TiO2固定化制备、改性、光催化氧化在工业废水以及饮用水处理中的应用进行了阐述。

关键词：光催化氧化 Ti02光催化剂 水处理

1 引言

光催化氧化法是近二十年才出现的水处理技术，1972年，Fu—jishima和Honda报道了在光电池中光辐射Ti02可持续发生水的氧化还原反应，标志着光催化氧化水处理时代的开始。1976年，Carey等在光催化降解水中污染物方面进行了开拓性的工作。光催化技术具有反应条件温和、能耗低、操作简便、能矿化绝大多数有机物、可减少二次污染及可以用太阳光作为反应光源等突出优点[1]，在难降解有机物、水体微污染等处理中具有其他传统水处理工艺所无法比拟的优势，是一种极具发展前途的水处理技术，对太阳能的利用和环境保护有着重大意义。

2 光催化氧化原理

光催化氧化还原以n型半导体为催化剂，如TiO2、ZnO、Fe2O3、SnO2、WO3等。TiO2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TiO2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[2]。当用光照射半导体光催化剂时，如果光子的能量高于半导体的禁带宽度,则半导体的价带电子从价带跃迁到导带，产生光致电子和空穴。水溶液中的OH- 、水分子及有机物均可以充当光致空穴的俘获剂，具体的反应机理[3]如下（以TiO2为例）：

TiO2 + hν →h+ + eh++ e- →热量

H2O →OH- + H+

h+ + OH-→OH

h+ + H2O + O2- →·OH + H+ + O2-

h+ + H2O →·OH + H+

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关于光催化氧化技术的综述研究

作者：张晨阳

来源：《科学导报·学术》2019年第15期

摘 ;要：光催化氧化技术是一种具有应用前景的环境污染治理技术，近年来在多种领域取得了一系列成果。本文通过分析其在环境和能源领域应用，阐述了光催化过程中电荷转移过程和机理。同时在光催化改性、异质结光催化剂、新型光催化剂等几个方面结合最新的文献进行了相关综述，为光催化氧化技术的发展提供了借鉴作用。

关键词：光催化氧化;综述;新型光催化剂

引言

自從1972年Fujishima发现TiO2光催化现象以来，以半导体光催化剂为代表的光催化氧化技术由于其直接利用太阳光驱动反应、催化剂良好的稳定性而成为一种具有应用前景的环境污染治理技术，近年来在有机污染物降解、重金属还原、产氢、太阳能电池以及有机物合成等领域取得了一系列成果，受到环境、材料、化学和能源领域研究人员的关注。

1 环境和能源领域应用

光催化氧化技术在环境和能源领域中的应用非常广泛，包括污水处理（光催化降解染料、抗生素、POPs、农药等各种有机污染物;光催化还原重金属降低其毒性和生物有效性）、气体净化（降解NOx、SOx、VOCs等气体有机污染物）、广谱抗菌、光解水制氢、还原CO2以及合成有机物（利用合成气CO和H2制备人造汽油）[1-2]。根据纳米光催化剂的类型，可分为零维（0D）、一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）纳米材料;同时制备相同或不同维度纳米材料复合结构也是提高光催化活性的有效手段之一[3]。

2 光催化过程中电荷转移过程和机理

半导体光催化剂的能带结构由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，价带和导带之间存在禁带，当能量大于等于禁带宽度的光照射时，价带上的电子激发跃迁至导带，价带上产生相应的空穴，空穴和电子在电场作用下分离并迁移到粒子表面，产生空穴-电子对;接受一定能量光照后的半导体光催化剂本身处于不稳定的激发态，为保持本身的稳定性，处于激发态的半导体光催化剂将释放外来能量，即能量弛豫。半导体光催化剂的能量弛豫过程主要包括四个途径，分别是电子和空穴在光催化剂的体内复合（即体相复合）、电子和空穴在光催化的表面复合（即表面复合）、迁移到光催化剂表面的电子与表面吸附的电子受体反应（即还原过程）、迁移到光催化剂表面的空穴与表面吸附的电子给体反应（即氧化过程）[4]。其中体相复合和表面复合不利于光催化反应，还原过程和氧化过程有利于光催化反应。

光催化氧化原理

光催化氧化技术是一种利用光能催化氧化反应的新型技术，它在环境治理、能源开发和化学加工等领域具有广阔的应用前景。光催化氧化原理主要是利用光催化剂吸收光能，产生电子-空穴对，从而参与氧化还原反应。本文将从光催化原理、光催化剂和光催化氧化应用等方面进行介绍。

光催化原理。

光催化原理是指在光照条件下，光催化剂吸收光能，形成激发态电子-空穴对，这些激发态电子-空穴对可以参与氧化还原反应。光催化氧化反应的关键步骤是光催化剂的激发和电子转移过程。光照条件下，光催化剂吸收光能，电子从价带跃迁到导带，形成激发态电子-空穴对。这些激发态电子-空穴对可以与氧分子或有机物分子发生氧化还原反应，从而实现光催化氧化。

光催化剂。

光催化剂是光催化氧化反应的关键，它可以吸收光能并促进氧化还原反应的进行。光催化剂的选择对光催化氧化反应具有重要影响。常见的光催化剂包括二氧化钛、氧化铋、氧化锌等。这些光催化剂具有良好的光催化活性和稳定性，可以广泛应用于水处理、大气净化、有机废气处理等领域。

光催化氧化应用。

光催化氧化技术在环境治理、能源开发和化学加工等领域具有广泛应用。在环境治理方面，光催化氧化技术可以用于水处理、大气净化和有机废气处理。在能源开发方面，光催化氧化技术可以用于光催化水解制氢、光催化CO2还原制燃料等。在化学加工方面，光催化氧化技术可以用于有机合成、光催化降解有机物等。

总结。

光催化氧化技术是一种利用光能催化氧化反应的新型技术，它在环境治理、能源开发和化学加工等领域具有广泛的应用前景。光催化氧化原理主要是利用光催化剂吸收光能，产生电子-空穴对，从而参与氧化还原反应。光催化剂的选择对光催化氧化反应具有重要影响，常见的光催化剂包括二氧化钛、氧化铋、氧化锌等。光催化氧化技术在环境治理、能源开发和化学加工等领域具有广泛应用，可以为人类社会的可持续发展做出重要贡献。

广州和风环境技术有限公司 /

一、概述

空气中的异味臭味严重影响人们正常工作、生活。对于大楼地下室、停车场、污水处理站、工厂工场间等，迫切需要一种功能较强的绿色环保型空气净化装置。

根据市场需求，本公司近期开发出一种高科技空气净化技术设备，可解决以上空气净化的要求。该设备的核心是产生一组能产生特定纳米波长的电光源和纳米光催化触媒材料组成的净化反应腔。此种采用复合纳米技术设备产生的复合净化能量，可使进入反应腔的受污染空气即刻进行一系列理化反应，异（臭）味有害气体即被氧化分解成无臭、无害的物质，空气中的霉菌、病菌等也同时被杀灭，从而将洁净、新鲜的空气还给人们。

以下为空气净化装置采用的废气处理工艺：

二、净化主机纳米光催化氧化部分工作原理

该设备核心中的纳米光催化触媒材料是一种吸收光能后，能在其表面产生催化反应的物质，其功能类似于植物的叶绿素。当特定纳米波长的紫外光照射光催化触媒材料（GC-100）时，其表面发生光催化氧化还原反应。光催化触媒材料（GC-100）吸收光子后在其表面产生电子（E—）和空穴（H+），将吸收的光能转化成化学能，即具有光催化作用。

当光催化触媒材料（GC-100）与空气中的水接触时，表面就吸附H2O、O2、OH—，H2O、 OH—被空穴（H+）所氧化，O2被电子（E—）还原，反应室如下：

H2O+ H+→ OH. + H+O2+ E—→O2—.

OH—基团的氧化能力较强，使有机物氧化，最终分解为水和CO2。

下面为典型污染物的被该装备氧化机理。

脂肪族氧化机理：

该装备中激发的特定波长紫外光激发光催化触媒材料（GC-100）所生成的OH. 具有强氧化作用，将脂肪族氧化为醇，进一步氧化为醛、酸，最后脱羧生成二氧化碳，整个过程可描述如下：

R–CH2 CH3→R–CH2 CH2 OH→ RCH2 CHO→RCH2 COOH→R–CH3 +CO2→RCH2 广州和风环境技术有限公司 /