光催化降解有机污染物
19113219 ⾼思睿
1、有机污染物处理的重要性
在21世纪，能源与环境问题已经成为世界关注的主题，如何减少污染，保护⽣态平衡，解决环保问题，已经引起各政府决策部门和学术研究部门的⾼度重视。 ⽔和空⽓作为⼈类最宝贵的资源，随着⼯业进程的加快，⼤量的废⽔、废⽓被排⼊其中，其中的有毒有机化合物会在⼈体内富集，给健康带来巨⼤威胁。⽽且在这些化合物中，有部分化合物⽤平常的处理⽅法很难将其降解。
我国学者⾦奇庭等⼈通过研究观察发现：很多的有机化合物能使厌氧微⽣物产⽣明显的毒害作⽤。这些有机化合物必须通过⼀些其他的⾮⽣物的降解技术来除去。
光催化处理有机污染物的技术由于其价廉，⽆毒，节能，⾼效的优势逐渐成为各界⼈⼠研究的重点，光催化的研发也⼀跃成为当前国际热门研究领域之⼀。
⾃1972年⽇本学者藤島(Fujishima)和本⽥(Honda)发现TiO2单晶能光电催化分解⽔以来，光催化氧化还原技术，在污⽔处理、空⽓净化、抗菌杀毒、太阳能开发等⽅⾯具有⼴阔的应⽤前景，受到世界各国的⼴泛关注，并得到了迅速发展。
⼤量研究证实：染料、表⾯活性剂、有机卤化物、农药、油类、等许多难降解或⽤其它⽅法难以去除的有机污染物都能够通过光催化氧化反应有效的降解、脱⾊、去毒，并最终完全矿化为CO2、H2O及其他⽆机⼩分⼦物质，达到完全⽆机化的⽬的，从⽽消除对环境的污染。 2、光催化剂
主要的光催化剂类型：
1、⾦属氧化物或硫化物光催化剂
2、分⼦筛光催化剂
3、有机物光催化剂
在光催化中采⽤半导体物质作为光催化剂，有ZnO、CdS、WO3、TiO2等。由于TiO2具有价廉易得、使⽤稳定及光活性⾼等优点，所以在光催化降解中，⼀般采⽤它作为光催化剂。爬梯安全装置
旋转机械故障诊断1. TiO2的结构
⼆氧化钛是钛的氧化物。根据晶型可以划分为⾦红⽯型、锐钛矿型和板钛矿型三种。⾦红⽯矿在⾃然界中分布最⼴，锐钛矿型TiO2属于四⽅晶系，板钛矿型TiO2由于属于正交晶系很不稳定，⾦红⽯型TiO2相对于锐钛矿型和板钛矿型来说应⽤较⼴。
2、两种晶型TiO2的⽐较
⾦红⽯的晶格⽐锐钛矿⼩，致密度⾼，具有更好的稳定性和较⾼的硬度、密度、折射率和介电常数。
锐钛矿在常温下较稳定，必须在⾼温条件下才可以向⾦红⽯型发⽣转变，且不可逆。锐钛矿对可见光
的反射率⾼于⾦红⽯，对紫外线的吸收能⼒不如⾦红⽯，⽐⾦红⽯的光催化活性⾼。
⾦红⽯的⽐表⾯积较⼩，对O2的吸收能⼒较差，光⽣电⼦和空⽳容易复合，降低了⾦红⽯的光催化活性。
⾼活性⼆氧化钛在实际研究中多为锐钛矿与⾦红⽯的混合物，这种复合结构能有效地提⾼光⽣电⼦和空⽳的分离效率，这种现象被称为混晶效应。
3、TiO2催化剂的制备
普通TiO2催化剂的制备：
1、将⼲燥后的⾦红⽯(主要成分TiO2，主要杂质SiO2)与碳粉混合装⼊氯化炉中，在⾼温下通⼊Cl2反应，制得混有SiCl4杂质的TiCl4。
2、利⽤SiCl4和TiCl4沸点不同将SiCl4分离，得到纯净的TiCl4。
3、在TiCl4中加⽔、加热，⽔解得到沉淀TiO2·xH2O。
4、TiO2·xH2O⾼温分解得到TiO2。
纳⽶级TiO2颗粒具有巨⼤的表⾯积和更强的紫外光吸收能⼒，因⽽具有更强的光催化降解能⼒，能快速将吸附在其表⾯的有机物分解掉。
纳⽶级TiO2⼀般采⽤⽔解法来制备，即将四氯化钛或钛酸四丁酯通过⽔解、沉淀、烘⼲得到纳⽶级的TiO2。
纳⽶级TiO2催化剂的制备：
1、将TiO2溶于⼀定去离⼦⽔中。
2、在⾼温下，⽔热分解得到TiO2溶胶。
3、通过蒸发除去溶液中的⽔和HCl，得到锐钛矿与⾦红⽯混合晶型的P-25 TiO2。
4、光催化反应机理痔疮仪
半导体物质存在着价带、导带和禁带。被电⼦占有的能带称为价带，它的最⾼能级为价带缘。相邻的那个较⾼能级即激发态称为导带，它的最低能级即导带缘：价带缘与导带缘的
能级差为禁带宽度Eg。
当半导体光催化剂受到光⼦能量⾼于半导体禁带宽度的⼊射光照射时，位于半导体催化剂价带的电⼦就会受到激发进⼊导带，同时会在价带上形成对应的空⽳，即产⽣光⽣电⼦-空⽳对。
光⽣电⼦(e-)具有很强的氧化还原能⼒，它不仅可以将吸附在半导体颗粒表⾯的有机物活化氧化，还能使半导体表⾯的电⼦受体被还原。⽽受激发产⽣的光⽣空⽳(h+)则是良好的氧化剂，⼀般会通过与化学吸附⽔（H2O）或表⾯羟基（OH-）反应⽣成铅封号
具有很强氧化能⼒的羟基⾃由基（·OH）。
研究表明羟基⾃由基⼏乎能够氧化所有有机物并使之矿化。实验证明⼀般光催化反应都是在空⽓⽓氛中进⾏，其中⼀个主要原因就是空⽓中所含氧⽓的存在对光催化有促进作⽤，能加速反应的进⾏，从原理上分析普遍认为氧⽓的存在可以抑制光催化剂上电⼦与空⽳的复合，同时它还可以与光⽣电⼦作⽤形成超氧离⾃由氧O2-，接着与H+⽣成HO2，最后再⽣成羟基⾃由基，因此成为了羟基⾃由基的另外⼀个重要来源。
⽤反应式来表达光催化反应机理：
TiO2+hυ→TiO2+h++e-
h++e-→热量
H2O → H+ +OH-
h++ OH-→·OH
h++ H2O + O2→·OH+ H++O2-
汪伊涵h++ H2O→·OH + H+
e-+ O2→·O2-
·O2-+ H+→·HO2
2·HO2→O2+H2O2
·HO2+ H2O + e-→H2O2+ OH-
H2O2+ e-→·OH + OH-
⼀般的光催化反应就是利⽤催化剂产⽣的极其活泼的羟基⾃由基(·OH)，超氧离⼦⾃由基(·O2-)等活性物质将各种有机物污染物直接氧化为CO2、H2O等⽆机⼩分⼦。但是在⽓相条件下光催化反应可能并不⼀定是羟基⾃由基反应。有学者研究发现当光催化反应在⽓态环境下进⾏时，有时主要起作⽤的可能是其他物质。Stafford等[18]发现4-氯苯酚的光催化反应
就是光⽣空⽳直接参与反应完成的。他们在研究后发现这有可能是因为4-氯苯酚的苯环结构可以捕获中间⾃由基和电⼦，在没有⽔蒸⽓存在时，它能够直接和光⽣空⽳反应，从⽽达到降解的⽬的。
5、⽬前存在的问题
迄今为⽌，对TiO2处理⼤⽓有机污染物的研究多以有限的半封闭和封闭空间为主，对⼤空间的研究较少。关键在于对TiO2⾼催化性及长效性的研发，以利于降低处理成本。
纳⽶TiO2具有优良的光催化性能，但仍然有⼀些缺陷制约着光催化的⼤规模应⽤。主要由于其带隙较宽，导致其只能被太阳光
谱中仅含有3%左右的紫外线激化，这⼀原因极⼤的限制了光催化技术的应⽤。
6、今后的发展⽅向
相对于已经被⼴泛研究的液-固相半导体光催化降解有机物的废⽔处理，⽓-固相半导体光催化氧化反应在许多⽅⾯都具有更突出的特点。普遍认为，在光催化反应的速率⽅⾯，由于⽓体分⼦的扩散速度相对较快，因此⼀般⽓相光催化的反应速率⽐起液相都提⾼了⼏个数量级。此外，⽤于⽓相的催化剂与液相反应相⽐更易回收，在实现连续化的处理⽅⾯更加⽅便；⽓相光催化反应条件更加便捷，在常温常压的条件下即可进⾏反应，直接以空⽓中的氧⽓作氧化剂，反应的效率更⾼；在⽓相光催化反应
过程中使⽤的光源属冷光性质，对环境的温度没有明显的影响。
利⽤半导体光催化技术处理空⽓中的废⽓的多相光催化过程已经逐渐成为⼀种理想的环境治理⼿段。
在环境污染⽇趋严重的现代社会，TiO2光催化降解有机废⽓技术具有⼴泛应⽤前景，其能耗低，易操作，⽽且安全清洁等优势使得光催化技术在未来的环境治理中扮演着重要的⾓⾊。
参考⽂献：
[1] D. Uner, N. A. Tapan1, I. Ozen, M. Uner, Appl. Catal. A 2003, 251, 225.
[2] F. Donga, A. Suda, T. Tanabe, Y. Nagai, H. Sobukawa, H. Shinjoh, M. Sugiura, C. Descorme , D. Duprez, Catal. Today 2004, 90, 223.
[3] H. X. Lin, J. Mol. Catal. A 1999, 114, 189.
[4]⾦奇庭，张希衡，王志盈．合成有机物在厌氧⽣物处理中的抑制特性研究[J]．西安冶⾦建筑学院学报，1991,23(增)：1-12.
[5]Fujishima A, Honda K. Electrochemical photocatalysis of water at a semiconductor electrode[J]. Nature, 1972, 238(5358): 37-38.
[6]Fujishima A, Rao T N, Tryk D A. Titanium dioxide photocatalysis[J]. J. Photochem. and Photobi. C: Photochem. Rev., 2000, 1(1): 1-21.
[7]Amama P B, Itoh K. Photocatalytic oxidation of trichloroethylene in humidified atmosphere J. Mol. Catal. A: Chem. 2001, 176, 165-172.
[8]Liyi Shi, Chunzhong Li, A ip ing Chen, et al. Morphological structure of nanometer TiO2-Al2O3 compositepowders synthesized in high temperature gas medium sreactor. Chemical Engineering Jounal, 2001, (84): 405-411.
[9]范崇政, 肖建平, 丁建伟. 纳⽶TiO2的制备与光催化反应研究进展. 科学通报, 2001, 46 (4): 256-273.
[10]黄华林. 锑⽩在钛⽩⽣产中应⽤探讨. ⽆机盐⼯业, 1997, 3: 31-33.
[11]蒋⼦铎, 刘安华. ⾼级氧化过程的研究与进展. 现代化⼯, 1991, 5(5): 14-18.
[12]张淑霞, 李建保, 张波. TiO2颗粒表⾯⽆机包覆的研究进展. 化学通报, 2001, (2): 71-74.
[13]于向阳, 程继建等. ⼆氧化钛光催化材料. 化⼯世界, 2000, 41(11), 567-570.
[14]周铭. 纳⽶TiO2研究进展, 涂料⼯业, 1996(4): 36-39.
[15]范崇政, 肖建平等. 纳⽶TiO2的制备与光催化反应研究进展. 科学通报, 2001, 46(4): 265-273.
辣椒清洗机[16]Bicldey R I, Jayanty R K M, Navio J K, et al. Photo-oxidative fixation of molecular nitrogen on TiO2 (rutile) surfaces: the nature of the adsorbed nitrogen-eontaining species. Surfaee Seienee,
1991, 251: 1052-1056.
[17]邓南圣, 昊峰. 环境光化学[M].北京: 化学⼯业出版社, 2003.
[18]Nakamura R, Imanishi A, Murakoshi K, et al. In situ FTIR studies of primary intermediates of photocatalytic reactions on nanocrystalline TiO2 films in contact with aqueous solutions[J]. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125(24): 7443-7450.
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