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光触媒介绍
浏览次数:1218次  发布时间:2013-08-30  来源:



       光合作用(Photosynthesis),即光能合成作用,是植物、藻类和某些细菌,在可见光的照射下,经过光反应和暗反应,利用光合色素,将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物,并释放出氧气(或氢气)的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和,是生物界赖以生存的基础,也是地球碳氧循环的重要媒介。


       光触媒光催化分解作用原理与植物的光合作用一样,也是基于光能hv的作用下,将空气中的水分子H2O及氧分子O2转变成具有分解有机物(空气净化功能),杀灭微生物(抗菌功能)、自清洁(防污功能)作用的官能团,这种过程光触媒自身不被消耗,只需环境不断提供激发的能量HV,这些分解、抗菌、防污的能力会持续进行,因此光触媒的这种特点被誉为绿色的技术。





       光触媒(Photocatalyst)是一类化学工业广泛使用的原材料,种类繁多,其中包括氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2),硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体。光触媒是一种光催化剂,也就是说自然界中有一类物质在光照之下会起到催化作用,促使其他物质之间的化学反应得以进行,其本身的数量和化学性质在反应前后基本保持不变。


       1972年,A Fujishima(藤岛昭)和K Honda(本多健一)在n-型半导体TiO_2电极上发现了水的光电催化分解作用,基于这个简单的现象,学术界以更为专业的技术开始了多相光催化研究。光触媒技术发展前期工作大都只涉及新能源的开发(太阳能电池)和贮能(水的光解),最近十多年来,多相光催化在环保领域如净化气相和水中的有机污染物等方面获得了广泛的应用,已成为多相光催化另一个重要的应用领域,美国环保局(U.S. Environmental Protection Agency)公布的114种有机物均被证实可通过光催化氧化降解矿化,因此光触媒在因对室内环境污染具有常规纯化学方式所不可替代的优势。





光触媒的通用反应机理如图所示,它的反应过程可以分为以下几个阶段:


① 光致电子跃迁(h+)(e-)


锐钛矿晶型纳米TiO_2在小于378nm光波的照射之下,表面发生电子跃迁,一个TiO_2表面“价电带电子(e-)”跃迁到“导电带”上成为活性电子,从而形成光电流,并使TiO_2表面留下缺电子的带正电的空穴(h+hole)。反应式如下:

TiO2 + hυ(E>Ebg) →  (TiO2) + e- + h+

生成的(h+)和(e-)不会立即再结合(recombination)而消失,而是作短暂的停留,时间仅数微秒(μsec),正是由于这个关键的短暂停留,形成了TiO_2的光催化性能。


② 自由羟基(·OH)的形成


空穴(h+hole)为填充电子缺损,从空气中的水(H2O)夺取电子,生成“自由羟基(·OH)”。

反应式如下:

H2O + h+ →·OH(羟基自由基)


③ 超氧阴离子的形成


在第一步,光波的照射之下TiO_2表面“价电带电子(e-)”跃迁到“导电带”上成为活性电子,这个活性电子遇到空气中的氧气,

反应式如下:

O2 + e- → O2- (超氧阴离子)


④ 有机污染物的降解


自由羟基(•OH)具有极强的氧化性,反应能约为240Kcal/mol,其氧化能力仅次于高碘酸,比臭氧等典型氧化剂的氧化能力都要强,几乎能将所有构成有机物分子的化学键切断分解。因此,当自由羟基(OH)遇到甲醛等有机化合物或者细菌、病毒等微生物的时候,将其氧化分解。反应速率非常快,约为原子态氧的1000倍,是臭氧的100万倍。以甲醛为例,反应方程式如下:


HCHO(甲醛) (•OH)→ H2O + CO2 (甲醛、苯系物、TVOC有机物分解的原理)


当不存在有机化合物时,氧化反应不会进行,自由羟基(•OH)就会聚合成为水和溶存氧,

反应式如下:


4(•OH)→ 2 H2O + O2(电解水并释放氧气的原理)


O2- (超氧阴离子)具有较强的氧化能力,反应能约为120Kcal/mol。当它遇到空气中的有机化合物,发生氧化反应。以氨氮类有机化合物为例,反应式如下:


NH3(含氮有机化合物)+ O2- (超氧阴离子)  →  HNO3(硝酸)(氨气、胺类有机物分解原理)


⑤ 各种化学键的氧化能


化学键

正孔和氢氧根自由基

C-C键

C-H键

C-N键

C-O键

H-O键

N-H键

氧化能(kcal/mol)

>120

83

99

73

84

111

93











夺取电子的性能是氧化能力增大的表现,给出电子的能力是还原能力的表现。

【注释】:卡路里,简称卡,缩写为cal,是能量单位。1卡路里的能量或热量可将1克水的温度升高1摄氏度。1卡路里等于4.184焦耳(焦耳是物理学中常用的能量单位)。


光触媒的应用




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