TiO_2光催化反应及其在废水处理中的应用_沈伟韧

收稿:1997年12月,收修改稿:1998年2月*国家自然科学基金资助项目,环境水化学国家重点实验室开放基金资助项目**通讯联系人TiO2光催化反应及其在废水处理中的应用*沈伟韧赵文宽贺飞方佑龄**(武汉大学化学系武汉430072)摘要TiO2多相光催化能利用太阳能有效降解多种对环境有害的污染物,使有害物质矿化为CO2、H2O及其它无机小分子物质。本文综述了TiO2光催化的机理,提高光催化能力的途径,多种具有代表性污染物的光催化降解处理方法,以及目前尚存在的一些问题,扼要介绍了近年来TiO2光催化反应及其在废水处理中应用的研究进展及应用前景。关键词TiO2多相光催化降解废水处理TiO2-BasedPhotocatalysisandItsApplicationsforWasteWaterTreatmentShenWeirenZhaoWenkuanHeFeiFangYouling(DepartmentofChemistry,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)AbstractTiO2-basedheterogeneousphotocatalysishasthepotentialtodegradeenvironmentalpollutantsbysolarenergy.ThecontaminantscanbemineralizedtoCO2,H2Oandothersmallmolecules.ThepaperdealswiththeprincipleandmechanismofphotocatalysisonTiO2,thewaysforenhancingphotocatalyticefficiency,andthemethodsandproblemsofTiO2photocatalysisfordegradationsofseveraltypicalcontaminants.TherecentdevelopmentsinTiO2photocatalysisanditsapplicationprospectsforthetreatmentofwastewaterareintroduced.KeywordsTiO2;heterogeneousphotocatalysis;degradation;wastewatertreatment一、概述自1972年日本Fujishima和Honda[1]发现TiO2单晶电极光分解水以来,多相光催化反应引起人们的浓厚兴趣,科学家们对此进行大量的研究,探索该过程的原理,致力提高光催化效率[2—7]。目前,在多相光催化反应所使用的半导体催化剂中,TiO2以其无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好最为常用。但由于TiO2的带隙较宽(约3.2eV),能利用的太阳能第10卷第4期1998年12月化学进展PROGRESSINCHEMISTRYVol.10No.4Dec.,1998仅占总太阳光强的大约3%。为了提高对太阳能的利用率,并积极改善催化效率,人们已进行了大量的研究工作,如采取一些表面修饰改性技术,设计研制高效能反应器等。利用半导体光催化作用可有效地降解和消除有害污染物。近年来,半导体多相光催化作为一项新的污染治理技术,日益受到重视。它在废水处理中的应用潜力,已有许多文献报道[4—8]。大量研究证实,染料、表面活性剂、有机卤化物、农药、油类、氰化物等都能有效地进行光催化反应,脱色、去毒,矿化为无机小分子物质,从而消除对环境的污染。目前,国内外对于光催化的基础理论和实践应用方面的研究工作已有大量报道,本文试就近年来TiO2光催化反应及其在废水处理中应用的研究进展作一综述。二、TiO2光催化机理1.光催化反应过程半导体粒子具有能带结构,一般由填满电子的低能价带(valenceband,VB)和空的高能导带(conductionband,CB)构成,价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于禁带宽度(也称带隙,Eg)的光照射半导体时,价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带,在价带上产生相应的空穴(h+),并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。光生空穴有很强的得电子能力,具有强氧化性,可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子,使原本不吸收光的物质被活化氧化,电子受体通过接受表面的电子而被还原。光催化机理可用下式说明:TiO2+H2O→e-+h+h++H2O→·OH+H+h++OH-→·OHO2+e-→·O2-,·O2-+H+→HO2·2HO2·→O2+H2O2H2O2+O2-→·OH+OH-+O2羟基自由基是光催化反应的一种主要活性物质,对光催化氧化起决定作用,吸附于催化剂表面的氧及水合悬浮液中的OH-、H2O等均可产生该物质[9]。氧化作用既可以通过表面键合羟基的间接氧化,即粒子