光催化技術的發展現狀及研究特點

文章來源：http://wap.talentspaceco.com 發布時間：2021-05-08 瀏覽次數：56371

光催化技術的發展現狀及研究特點

一、光催化概述

當今世界正面臨著能源短缺和環境污染的嚴峻挑戰，解決這兩大問題是人類社會實現可持續發展的迫切需要。隨著生態環境保護和人居環境改善要求越來越嚴格，以石油、煤炭為代表的傳統化石能源正經歷21世紀以來的重大挑戰。2015年各國簽署的《聯合國氣候框架公約》要求與前工業化時期相比將全球平均溫度升幅控制在2oC以內并繼續爭取把溫度升幅限定在1.5oC，要求化石能源加快轉向高效清潔利用，同時促進以太陽能為代表的可再生能源迅速增長。

二、光催化演變

近年來，污染問題越來越引起人們的重視，各行業部門都采取了更加嚴格的控制標準和措施。雖然已有不少污染處理方法應用于實際生產中，但由于其本身的局限性，對于一些有毒、難降解的生化廢水，如農藥、造紙和染料等企業所排放的污水仍缺乏行之有效的技術方法。隨著科技的不斷進步，一些新的水污染治理技術開始顯露出其獨特的效果，光催化就是其中一個典型的代表。

三、光催化具有諸多優點

1.可將有機物完全分解礦化

2.在常溫常壓下反應，操作簡易，能耗低

3.所使用的催化劑TiO2無毒無害，穩定性高

4.成本低，可回收利用

四、光催化原理

光催化法是近幾十年來發展起來的一種深度氧化技術(advancedoxidationprocess,AOP)。它是將特定光源(如紫外光UV)與催化劑(TiO2或CdS)聯合作用對有機廢水進行降解處理的過程。

TiO2受光源激發產生的空穴是一種強氧化劑，導帶電子則是一種強還原，大多數有機物和無機物能夠直接或間接被它們氧化還原。反應過程中生成的·OH具有很強的化學活性，利用這種高活性的自由基可以氧化包括生物難以轉化的各種有機物并使之礦化，甚至能夠氧化細菌體內的有機物生成CO2和H2O。另外，它還可以與有毒的無機物起氧化反應使其在短時間內失去毒性。

五、光催化研究

早期光催化的研究，多以懸浮相光催化為主，半導體粉末(TiO2)以懸浮態存在于水溶液中，這樣催化劑就難以回收，活性成分損失較大。而且這種懸浮液在反應后要經過濾離心、共聚和沉降等方法進行分離，處理步驟復雜，費用較高。催化劑的固定是解決液相和懸浮相催化劑分離回收問題的有效途徑。目前較常用的方法是采用溶膠一凝膠法制備TiO2膜，將其固定于擔載相上。這種方法制備的薄膜不僅均勻性和結晶性較好，而且可以通過改變溶膠一凝膠參數來控制膜的表面積和孔結構，制得高活性的薄膜催化劑，且技術簡單。已有文獻報道了將TiO2膜固定于玻璃纖維鎳網、空心球、石英管、海砂和活性炭等物質上并取得了良好的催化降解效果。這些固定方法不僅提高了TiO2的催化活性，加速了反應，還節省了TiO2的回收成本，為進一步大面積應用于生產中提供了良好的理論基礎。

六、光催化反應

在光催化反應中常會用到冷阱來控制反應液的溫度，其制造材料的選擇會決定冷阱本身的透光性能。對玻璃和石英兩種冷阱做對比實驗得出，當采用石英冷阱時甲基橙的脫色率是采用玻璃冷阱的4.3倍。這主要是因為石英冷阱可透過更多的紫外光，能夠更加充分地利用光源所產生的光子能量。

光催化反應本身的活化能比較小，溫度對它的影響不是很大。但繼光反應之后的一系列氧化還原反應大多都伴隨著吸熱或放熱效應，因而溫度的影響是一個不容忽視的因素。

七、光催化技術特點

在一定范圍內TiO2的催化效率是隨著投加量的增加而增加的。但是當投加量高于某一值后，其催化效率不僅不會再提高，而且會有稍降的趨勢。其原因是由于較大濃度的TiO2懸浮顆粒會對入射光起到一個遮蔽的作用，降低了光源發射的光子效率。

雖然光氧化技術具有良好的氧化還原能力，但由于當今水體中污染物的復雜性和多樣性，使得單獨使用某一技術往往達不到理想的效果。近幾年來，許多科研人員將光催化技術與其他方法聯用取得了諸多成果。把光催化技術與其他方法相結合，產生高效、經濟的新技術是行之有效的。

八、光催化技術研究將主要集中在以下幾個方面

由于光催化技術本身的一些局限性，如回收困難、光源利用率低、催化效果不高等因素

1.催化劑的合理回收和使用

研究開發有效的固定相TiO2載體，避免催化劑回收費用高和利用率低的缺陷。

2.提高光源的效率和使用年限

設計更加有效的工業用光源，增加其在特定波長范圍內的照射強度，并提高它的使用壽命。

3.催化劑的改良

通過金屬摻雜、復合半導體等技術提高TiO2的催化活性，制備出適用于以太陽光為光源的高效光催化劑。

4.氧化劑的有效添加和組合使用

在已經進行的研究基礎上找出較為有效的氧化劑類型和添加量，并嘗試把幾種氧化劑組合以達到較佳的催化效果。