光催化技术在水处理中的应用

材料：生产与工艺信息记录材料 2020年1月 第21卷第1期

较高的要求将其安装在恒温实验室。（6）纳氏试剂分光光度法适用范围少（生活饮用水和水源水），而气相分子吸收光谱法适用范围较宽广（地表水、地下水、海水、饮用水、生活污水及工业污水）。【参考文献】[1] 国家环保局总局．水质、氨氮的测定、气相分子吸收光谱法（HJ/T 195-2005），2005年11月.[2] 中华人民共和国卫生部、中国国家标准化管理委员会.生活饮用水卫生标准、生活饮用水标准检验方法、无机非金属指标 氨氮、纳氏试剂分光光度法（GB/T5750.5-2006），2006年12月.1󰀁󰀁引言随着社会的发展与进步，能源大量消耗和环境日益变差已成为了危害人类健康生活的两大难题。阻止环境恶化和开发可再生的清洁能源对人民生活以及社会发展具有重大意义。1972年Fujishima课题组发现在紫外光照射下，TiO2可以分解水制H2，从此开启了半导体光催化领域的新纪元[1]。此后，科研工作者们对于它极其的化学稳定性和低廉的价格给予了极大的关注[2]。尽管TiO2等在光催化领域有一些成就，但因其只能吸收紫外光，而无法利用可见光[3]。金属及非金属参杂、贵重金属沉积、染料敏化、形成异质结,以及开发新型光催化等都是用来修饰TiO2以提高光催化性能的方法，但仍达不到人们的预期成果。最近报道的石墨氮化碳(g-C3N4)材料成为了热点光催化材料。与TiO2相比，g-C3N4具有合适的带宽（2.7eV），能吸收可见光、制备简单、物理化学性质稳定等特点。g-C3N4已经在光解水制H2、还原CO2、催化NO分解、降解有机污染物中的催化剂等方面表现出了极大潜力。2󰀁󰀁光解水制氢在可见光的作用下，通过水解反应是生产氢能的一个最佳途径。g-C3N4由于其合适的带隙宽度（2.7eV），相应的光谱波长（460nm），独特的结构以及电子特性，使其具备异相光催化剂的所有先决条件。通常只需带隙宽度满足Eg＞1.23eV就可以达到水解反应的条件。更重要的是，g-C3N4的HOMO上的光生空穴能充分将水氧化成氧气。LUMO上的光生电子也能够将水还原成H2。但是纯相g-C3N4并不能高效的进行产氢反应，而是需要对g-C3N4进行改性研究。3󰀁󰀁降解有机污染物g-C3N4在光照条件下能将有机污染物分解成CO2、H2O和其它无害的化合物。例如，使用g-C3N4能够降解甲基橙（MO）和罗丹明B（RhB）。g-C3N4因其光生电子的还原能力可光降解MO，而光降解RhB则取决于光生空穴的氧化作用。在之后的研究中发现B掺杂g-C3N4材料后，其染料吸附能力和对于可见光吸收能力有显著的提高，发现其特征后，又在此基础上成功合成了C3N4/TaON复合材料，它也能够还原RhB达到降解RhB的目的。4󰀁󰀁催化NOx分解Pt和Pd都是可以还原NOx的高效催化剂，但是由于Pt和Pd这类贵金属的造价成本太高而无法大量的进行投入使用，因此人们认为寄希望于新兴的材料g-C3N4，期望它可以成为低廉且绿色的光催化剂。因为g-C3N4本身就可以分解NO，只是分解的效率较低。而在引入Zn或者Au等金属离子后，NO的分解效率会得到大幅度的提升。相信随着科技的进步与科研工作者的研究不断深入，可以实现更高效的NO分解技术，达到绿色环保的终极目标。5󰀁󰀁还原CO2现今社会中，汽车的大量使用产生的尾气和人类生活中取暖做饭使用的木材煤炭等，都会产生许多的CO2、CO、NOx等，其中以CO2为主，而CO2则是引起全球气候变暖的罪魁祸首。因此如何处理这一问题，是当前科研工作者的研究目的。近期，研究表明光催化技术可高效还原CO2为CH4、CH3OH、HCHO和HCOOH等。同时该技术因其反应条件温和、产物无污染等一系列优势，在减少CO2等温室气体方面有着很大的实际应用价值。6󰀁󰀁结语光催化技术迅速发展于诸多领域之中，例如水解产氢、水处理、空气净化、自洗式涂料的开发以及高效太阳能电池的研发等。目前为止，科研工作者们已经成功合成氮化碳在光催化中的应用杨 洋，戚克振，高 明（沈阳师范大学物理科学与技术学院 辽宁 沈阳 110034）【摘要】伴随社会的快速发展所带来的最严峻的两大难题就是各种能源的大量消耗以及环境日益恶化，光催化技术是解决这些问题最重要的方法之一。石墨氮化碳(g-C3N4)材料是近期发现的新兴的半导体材料之一，其作为新一代无金属光催化剂，拥有适当的能带结构，可以在可见光下光解水制H2以及降解有机污染物。但是在实际应用中有很大的局限性，因其光生电子-空穴对极易快速复合和比表面积较低等问题，导致其光催化活性较低。本文主要是通过不同石墨相氮化碳实际中的应用，如光解水制H2、降解有机污染物、催化NO分解、还原CO2，讨论了石墨相氮化碳不同的研究进展。【关键词】光催化；g-C3N4；光解水制氢；还原CO2【中图分类号】O643 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2020）01-0028-02

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+

光催化材料的制备和应用

随着环境问题日益严重，光催化技术受到越来越广泛的关注。光催化技术是利用光催化材料（例如纳米材料）吸收光能并在可控条件下引发氧化还原反应，分解和去除环境污染物。本文将介绍光催化材料的制备方法和应用。

一、 光催化材料的制备方法

1. 水热法

水热法是一种制备纳米材料的常用方法。该方法使用高温和高压的水溶液中的化学反应来制备材料。在水热反应过程中，由于水的物理性质和化学性质的改变，溶液的离子效应和缩微效应显著增强，从而形成纳米级晶粒。水热法制备的材料通常具有较高的比表面积和良好的催化活性，适用于生产具有高级功能的纳米材料。

2. 溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是将溶解或分散于液相中的原料材料引入到含有表面活性剂或聚合物的溶胶中，形成胶体后，通过热处理或干燥处理，形成所需的材料。溶胶凝胶法可以制备具有复杂形态和结构的纳米材料，如纳米三角形、纳米棒等。该技术具有良好的可控性和灵活性，适用于不同类型的纳米材料的制备。

3. 化学共沉淀法

化学共沉淀法是将两种或多种溶液混合反应，同时生成两种或多种固体沉淀物，通过沉淀的共生、交互作用等反应过程，形成具有特定结构和形态的纳米材料。化学共沉淀法可以制备大量高质量的纳米材料，并且适用于多种形态和结构的纳米材料。

二、 光催化材料的应用

1. 水处理

水处理是光催化材料的广泛应用领域之一。光催化技术可以去除水中有机污染物、氨氮和重金属等污染物。具有这种应用的光催化剂通常是由纳米晶体（例如二氧化钛，氧化锌）对紫外线光辐射敏感，可以用于清洁水源、水处理废水等。

2. 空气净化

空气净化是另一个光催化材料的广泛应用领域。光催化剂可以分解有害气体分子，如甲醛、二氧化碳和一氧化碳等。具有这种应用的光催化剂通常是由纳米材料和其他添加物组成的复合材料，可用于净化室内和室外空气、制造汽车尾气处理系统等。

3. 催化剂应用

光催化技术也可以用于催化剂应用领域。例如，可将光催化剂制成小颗粒并加入到催化反应中，这种板块催化剂不仅具有高催化活性，而且具有较好的热稳定性。

光催化技术在环境治理中的应用

随着工业的发展和城市的不断扩张，人类对环境的影响日益增大，环境污染也成为了一个日益严重的问题。为了保护环境、净化空气、水源和土地，人们研究开发了各种环保技术。其中，光催化技术因其高效、环保等优点，成为了环境治理领域中的一种重要技术。

一、 光催化技术的原理与特点

光催化技术是一种利用光照条件下半导体催化剂的化学反应，来去除有害物质和逐步使废气、废水净化的过程。光催化技术的精髓是将吸附和反应结合起来，通过催化剂吸附有机污染物质，然后在光的作用下进行氧化分解，最终转变成简单无害的物质，通常是二氧化碳和水。

光催化技术的优点不仅在于它的高效性、易操作性和成本可控性，而且还可以解决有机污染物质不易分解和毒性较大的问题。此外，光催化技术还具有良好的适应性和可靠性，能够适用于各种不同的环境和污染物质。

二、 光催化技术在空气净化中的应用

光催化技术在空气净化方面的应用主要是针对VOCs和NOx等氧化性气体的处理。VOCs是一种具有强烈刺激性和毒性的有机物质，存在于各种工业过程、生产源和日常生活中。NOx是一种大气污染物，人们普遍把它与车辆尾气排放、化工、冶金和能源生产等行业联系在一起。

通过光催化技术的处理，可将VOCs和NOx等氧化性气体在光照作用下迅速转化为CO2和H2O等无害物质。具体技术方案可采用如TiO2催化剂、紫外线等低耗能光源等。

三、 光催化技术在水处理中的应用

光催化技术在水处理方面应用广泛，主要应用于水中有害有机物质的分解和去除，如水中有毒化合物和色素、臭氧等。

研究表明，通过光催化技术处理后，水中的有害有机物含量大大降低，颜色减少，甚至可以满足饮用水标准。

四、 光催化技术在土地治理中的应用

近几年来,随着城市建设与工业发展，土地污染日益严重，给环境造成了巨大的影响。传统化学和物理方法和土壤修复效果十分有限，而反之光催化技术逐渐被人们关注和应用于土地治理。