TiO_2光催化反应机理及动力学研究进展_唐玉朝

收稿:2001年4月,收修改稿:2001年6月TiO2光催化反应机理及动力学研究进展唐玉朝胡春王怡中(中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室北京100085)摘要光催化处理环境污染物是基于催化反应过程中的一些自由基对污染物的氧化或还原作用,反应途径通常是HO·攻击或空穴直接攻击,对可见光敏感的化合物也可能通过激发态来分解。动力学的表述多数符合L-H模式,广泛研究了L-H模式下的吸附与催化活性的关系,对动力学的研究也是了解其反应机理的重要途径。关键词光催化反应机理动力学中图分类号:O612.4;O643.1;O644.1文献标识码:A文章编号:1005-281X(2002)03-0192-08RecentAdvancesinMechanismsandKineticsofTiO2PhotocatalysisTangYuchaoHuChunWangYizhong(ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,StateKeyLabofEnvironmentalAquaticChemistry,CAS,Beijing100085,China)AbstractFundamentalmechanismsofTiO2heterogeneousphotocatalysisfordegradingwastesarebasedonsomeradicalreactions.Underultravioletlightthephotocatalystsproduceholesandelectrons,whichsubsequentlyinitiateoxidationandreductionreactions.Holesandelectronscanreactdirectlywithorganicspeciesadsorbedonthesurfaceofthecatalystsandalsocantransformintohigh-energychemicalspeciessuchashydroxylradicals.Someorganicssuchasdyes,whicharesensitivetovisiblelight,canalsobedegradedviaexcitedstates.Langmuir-Hinshelwoodkineticsmodeldescribesthedegradationrateex-pressionsintermsofthedisappearanceofcompounds.Thekineticsofthephotocatalysisisnotonlyessen-tialtopracticalapplicationsbutalsoiskeyaspectforunderstandingmechanismsofthephotocatalysis.Keywordsphotocatalysis;mechanisms;kinetics一、引言在人类面临的众多环境问题中,毒性大、生物难降解的有机污染物的处理是一个难题。此类物质由于难以用生物方法去除,而排放到环境中会对环境产生很大的危害作用,所以人们一直寻求新的方法来处理这个问题。光催化方法作为高级氧化技术的一种,是利用光生强氧化剂将有机污染物彻底氧化为H2O、CO2等小分子,此法能处理多种污染物,适用范围广,特别是对难降解的有机物具有很好的氧化分解作用。此外,光催化反应还具有反应条件温和,反应设备简单,二次污染小,易于操作控制,对低浓度污染物及气相污染物也有很好的去除效果,催化材料易得,运行成本低,可望用太阳光为反应光源等优点,是一种非常有前途的污染治理技术,因而近年来受到广泛关注[1—6]。但光催化反应由于其反应体系的复杂性,包括其反应机理,基本的反应过程,动力学行为等仍然有许多不清楚的地方,这些对这项新型污染控制技术的实用化带来了障碍。研究其反应机理是改进光催化设计的重要途径,而对动力学的研究既是设计反应器的基本要求,也是更好理解其反应机理的方法之一。本文综述了近年来TiO2第14卷第3期2002年5月化学进展PROGRESSINCHEMISTRYVol.14No.3May,2002光催化氧化的反应机理与动力学研究新进展。二、TiO2光催化反应机理1.TiO2光催化主要反应历程当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时,光激发电子跃迁到导带,形成导带电子(e-),同时在价带留下空穴(h+)。由于半导体能带的不连续性,电子和空穴的寿命较长,它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动,与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应,或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂粒子内部或表面图1半导体TiO2光催化氧化反应机理示意