纳米二氧化钛光催化研究进程讲解.ppt

* * 目录 二、半导体纳米粒子的光催化 2.1 光催化原理 2.2 光催化背景简介 2.3 光催化具体应用 * 二、半导体纳米粒子的光催化 2.1 光催化原理 1、半导体粒子具有能带结构：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，区域的大小称为禁带宽度 。 2、当半导体受到能量等于或大于禁带宽度的光照射时,价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时，在价带产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成 电子(e-)-空穴( h+ )对。 3、高活性的光生空穴具有很强的氧化性，可以将吸附在半导体表面OH-和H2O进行氧化，生成具有强氧化性的·OH自由基。电子具有还原性与O2反应生成超氧自由基 * 二、半导体纳米粒子的光催化 2.2 光催化背景简介 纳米半导体比常规半导体催化活性高很多，这是因为由于量子尺寸效应，使半导体粉体的导带和价带间的能隙变宽。导带电位变的更负，粒子具有更强的氧化和还原能力。并且由于纳米半导体粒子的粒径小，光生载流子比常规材料的光生载流子更容易通过扩散迁移到表面，形成表面态对载流子的捕捉，促进氧化和还原反应。半导体纳米粒子光催化效应在环保、水质处理、有机降解、失效农药降解等方面有重要的应用。 TiO2作为一种n型半导体材料，因为其催化性能优良、化学性能稳定、安全无毒理作用、使用寿命长等优点而被广泛使用。 * 二、半导体纳米粒子的光催化 2.3 光催化的具体应用 随着我国人口的快速增长和工业的飞速发展，城市废水和工业污水排放总量快速增加，导致目前我国约80%的河流和湖泊受到不同程度的污染，水污染已成为我国面临的严重环境问题之一。比如民营企业众多和经济发达的浙江省，工业化程度高，污水排放量也高。污水处理形势非常严峻。 科研工作者们经过长期的努力，已经建立了许多处理污水的方法，如微生物法、化学法、物理吸附法等，但这些方法都存在着不同程度的成本高、处理速度较慢、处理不彻底、易造成二次污染等问题。 实际上，如何光催化，充分利用太阳光，低成本、高效率的把污水降解处理成无毒低分子物质、CO2和水，甚至循环再利用是二十世纪末以来，化学、材料学和环境科学等领域科研工作者们一直希望解决的技术难题之一，具有非常重要的研究价值。 * （1）具体应用情况 2.3.1 TiO2在废水处理中的应用 农药的大面积使用在造福于人类的同时也给人类赖以生存的环境带来危害,由于农药在环境中停留时间长危害范围广因此降解难度较大。 ①农业废水 * 陈建秋等研究了纳米TiO2 光催化降解乐果溶液结果表明纳米TiO2 最佳投加质量浓度为0.6 g/L 光催化降解率随乐果溶液初始浓度的增加而降低当乐果初始浓度为39 mol/L时500 W紫外灯照射60 min后降解率为83% 当初始浓度为196 mol/L时500 W紫外灯照射160 min后降解率高达99.4%。 图1 TiO2 催化剂浓度对乐果光催化降解效果的影响 图2 不同的乐果溶液初始浓度下的光催化降解率 2.3.1 TiO2在废水处理中的应用 * ②染料废水 染料废水主要来源于染料及染料中间体生产行业，具有成分复杂，色度高，排放量大，毒性大，可生化性差的特点一直是废水处理中的难题。 2.3.1 TiO2在废水处理中的应用 * 石建稳等以尿素为氮源采用溶胶-凝胶法制备了氮掺杂纳TiO2粉末，以甲基橙溶液为模拟染料废水，分别在可见光模拟太阳光和紫外光照射下进行降解实验。结果表明在紫外光照射下NTi为0.1且经500 ℃煅烧的氮 掺 杂TiO2可在20 min内基本使甲基橙溶液完全降解脱色，模拟太阳光照射时40 min内可以使甲基橙溶液完全降解脱色。 图4 模拟太阳光下样品的光催化活性 图3 紫外光下样品的光催化活性 2.3.1 TiO2在废水处理中的应用 * ③含重金属废水 重金属离子主要为铬银和汞，具有不可生物降解性，进入环境后只能发生迁移和形态的转换，不会从环境中消失，从而能够长期存在于环境中。因此人们一直致力于寻找去除重金属离子的方法，现今较为常用的有：中和法电解法、化学氧化还原法、萃取法吸附法、沉淀法、离子交换法膜分离洗脱法、电渗析法等，这些技术均能起到一定的去除净化效果，但对于低浓度的重金属废水处理效果不佳甚至毫无作用。 纳米TiO2光催化技术处理重金属废水，可在常温常压下进行，兼具氧化和还原特性反应彻底不产生二次污染。 铬是工业电镀制革和制漆中常见的污染物其在饮用水的容许质量浓度是0.05 mg/L