光催化技术解读.ppt

光催化技术 宋光辉 什么是光催化 ? ? 概括说来，就是光触媒在外界可见光的作用下 发生催化作用。 ? 光催化一般是 多种相态之间 的催化反应。 ? 光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照） 下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。 光合作用也可以看作光催化 光催化氧化反应机理 光催化氧化反应以半导体为催化剂，以光为能量，将有机物 降解为 CO2 和水。反应机理如下： 下图是半导体的能带结构示意图。由图可见，半导体能带结 构与金属不同的是价带 (VB) 和导带 (CB) 之间存在一个禁带。用 作光催化剂的半导体一般具有较大的禁带宽度，有时称为宽带 隙半导体。 当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，半导体的价 带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子和空 穴 半导体光催化机理示意图 具体来说（见下图），在光照下，如果光子的能 量大于半导体禁带宽度，其价带上的电子（ e- ）就 会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴（ h+ ）。 激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，并产 生热能或其他形式散发掉。当催化剂存在合适的俘 获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子和空穴的复 合得到抑制，就会在催化剂表面发生氧化 — 还原反 应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的 还原剂，在半导体光催化反应中，一般与表面吸附 的 H2O ， O2 反应生成氧化性很活波的羟基自由基 （ ? OH ）和超氧离子自由基（ ? O2- ）。能够把各种 有机物氧化直接氧化成 CO2 、 H2O 等无机小分子， 而且因为他们的氧化能力强，使一般的氧化反应一 般不停留在中间步骤，不产生中间产物。 其中，光催化分解反应机理如下： 光催化的技术特征 ? （ 1 ） 低温深度反应： 光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物 完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则 需要在极高的温度下才可将污染物摧毁，即使用常规的 催化氧化方法亦需要几百度的高温。 （ 2 ） 净化彻底： 它直接将空气中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的 物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活性炭吸附 法不分解污染物，只是将污染源转移。 （ 3 ） 绿色能源： 光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧 化 — 还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。 从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。 ? （ 4 ） 氧化性强： 大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点， 对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、 六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有 机物具有特别意义，光催化的有效氧化剂是羟基自由 基（ HO ）， HO 的氧化性高于常见的臭氧、双氧水、 高锰酸钾、次氯酸等。 （ 5 ） 广谱性： 光催化对从烃到羧酸的种类众多有机物都有效，美国 环保署公布的九大类 114 种污染物均被证实可通过光催 化得到治理，即使对原子有机物如卤代烃、染料、含 氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般 经过持续反应可达到完全净化。 （ 6 ） 寿命长： 理论上，催化剂的寿命是无限长的。 光 触 媒 光触媒 [PHOTOCATALYSIS] 是 光 [Photo=Light] + 触媒 ( 催化剂 )[catalyst] 的合成词。光触媒是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以 促进化学反应的物质，光触媒是利用自然界存在的光能转换成为 化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子 激发成极具氧化力的 OH - 及 O 2 - 自由负离子。几乎可分解所 有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反 应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。 ? 光触媒于 1967 年被当时还是东京大学研究生的藤岛 昭教授发现。 在一次试验中对放入水中的氧化钛单结 晶进行了光线照射，结果 发现水被分解成了氧和氢。 这一效果作为 “ 本多 · 藤岛效果 ” （ Honda- Fujishima Effect ）而闻名于世，该名称组合了藤岛教 授 和当时他的指导教师 ---- 东京工艺大学校长本多健 一的名字。 ? 由于是借助光的力量促进氧化分