TiO_2光电催化技术降解有机污染物研究进展_刘亚子

TiO2光电催化技术降解有机污染物研究进展刘亚子,孙成*,洪军(南京大学环境学院污染控制与资源化国家重点实验室,南京210093)摘要:TiO2光电催化水处理是一种电化学辅助的光催化反应技术,通过施加外部偏压减少光生电子和空穴的复合,从而提高其量子效率使有机污染物彻底矿化。综述了TiO2光电催化的机理、光电极及光电化学反应器的设计、光催化剂活性的提高等方面的问题,最后对光电催化技术的发展进行了展望。关键词:TiO2;光电催化技术;有机污染物中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1003-6504(2006)04-0109-03自1972年Fujishima等发现光照TiO2半导体电极具有分解水的功能[1],特别是1976年Carey等陆续报道了在紫外光照射下TiO2水体系可使各种难降解有机化合物降解以来[2],纳米TiO2光催化氧化技术作为一种水处理的方法引起了广泛的重视。迄今为止,大量研究揭示出该过程的主要问题之一是量子效率太低。近年来有研究者采用电化学辅助的光催化方法(或称光电催化方法)阻止光生电子和空穴发生简单复合以提高量子效率。实验证明:使用TiO2光电极可显著提高过程的量子效率,同时具有增加半导体表面·OH的生成效率和取消向系统内鼓入电子俘获剂O2的两大优点。采用光电催化技术能将各种有毒有机污染物,如:染料、硝基化合物、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类等进行有效脱色、降解、矿化,最终分解为CO2和H2O,从而消除其对环境的污染。本文就近年来TiO2光电催化水处理技术研究进展情况作一综述。1半导体TiO2光电催化的主要机理半导体光电催化氧化技术是在近紫外光的照射电极下,外加一定的阳极偏压,将光激发产生的电子通过外电路驱赶到反向电极上,从而实现与空穴(载流子)的有效分离,这一电场增强效应明显地减少了简单复合。这一过程称为光电协同催化氧化,即外加电场作用下的基于TiO2等半导体的光催化氧化降解。光电协同对光催化降解效果的影响,从高级氧化作用机理看,羟基自由基是通过水分子俘获光生空穴而形成。空穴能否较快地到达表面与羟基作用是至关重要的。在光生的电子和空穴产生以后,就会在空间电荷层中被分离,输入阳极偏压可促进空间电荷层对电子和空穴的分离,阻挠它们的复合,将电子转移到阴极,空穴留在半导体表面,从而大大提高了光量子效率,对光催化反应有很好的促进协助效果。实验室已设计出的一种分隔式光电合成电解装置,就是在原来光催化反应装置的基础上,外加一个由外部输入电能,在电极和电解液界面上促成电化学反应的电解反应器。其结果是电子在外加偏压的作用下移往阴极,有机污染物在阳极空穴的作用下得到处理,有效地实现了电子和空穴的分离[3]。2光电极的制备及光电反应系统光电极是光电催化反应器的关键部件。国内外应用TiO2光电极主要包括悬浮态光电极、固定化膜光电极以及透明固定化膜电极等形式。目前较实用、简单的方法是用固定化方法。催化剂固定化主要是利用一些固定化技术,如溶胶-凝胶法(sol-gel)、化学气相沉积法(CVD)、涂渍法、直接热氧化法、阳极氧化法等等。在不同的固定床上,光降解的速率也会有很大的不同。尤其是外加电场的使用,将催化剂附载于某种基体的表面。基体的作用不仅可作为电催化剂的载体,提供反应表面,还可增加强度,减小催化剂用量,甚至与活性组分相互作用,改变电极表面的结构与性能[4]。Candal等[5]在研究以铝板、不锈钢和钛板等金属为基体的光阳极对光电催化反应的影响时发现,这些光阳极对甲酸溶液均具有一定的光电催化降解活性。戴清等[6]以TiO2粉末(Degussa,p25)为原料,用涂膜法制备了具有多孔微结构的TiO2薄膜光电极,同样采用三电极体系施加0.6V偏压处理含氯苯酚,并考察了不同偏压和光强条件对降解速率的影响。它具有可从两边进行光照的优点。笔者[7]采用溶胶-凝胶技术,采用钛片作为衬底,制得了TiO2薄膜和TiO2/ZnO复合半导体薄膜光电极。实验结果表明,TiO2/ZnO薄膜的催化活性高于TiO2薄膜,而且加偏压时该溶液的降解率基金项目:国家“863”城市水环境专项资助项目(2003AA06011000-4)作者简介:刘亚子(1981-),女,硕士,主要从事半导体光催化氧化、微波技术等高级氧化技术方面的研究,(电子信箱)cnangel81@tom.com。TiO2光电催化技术降解有机污染物研究进展刘亚子,等109··DOI:10.19672/j.cnki.1003-6504.2006.04.043第29卷第4期2006年4月环境科学与技术高于不加偏压时的降解率。五氯酚的电助光催化降解,经过60min的反应后降解率达到98%以上,而单用光催化法时其降解率仅为80%左右,这表明光电化学降解过程具有明显的光电协同效应。3提高电极