纳米级TiO2光催化氧化机理及其在污染治理中的应用

2005年12月电力环境保护第21卷第4期纳米级TiO2光催化氧化机理及其在污染治理中的应用StudyonthephotocatalysismechanismonnanosizedTi02photocatalystanditsapplicationforpollutanttreatment赵毅，许勇毅，赵莉，韩静(华北电力大学环境科学与工程学院，河北保定071003)摘要：纳米级Ti02因其活性高、稳定性好而在污染物治理领域被广泛用做光催化剂。通过纳米TiO2半导体的光催化效应．在材料内部由吸收光激发电子，产生电子一空穴对，即光生载流子，并迅速迁移到材料表面，激活材料表面吸附氧和水分，产生活性羟基自由基(·0H)和超氧阴离子自由基(·02一)，从而转化为一种具有安全化学能的活性物质，起到矿化降解环境污染物和抑茵杀菌的作用。主要阐述了TjO2的光催化机理，论述了TiO2光催化剂在有机废水和VOCs处理等方面的应用。提出了Ti()2光催化氧化同时脱硫脱氮技术研究的设想。关键词：TiO，光催化剂；羟基自由基；难降解污染物；机理；应用Abstract：ThephotocatalysismechanismsofactionforTi0】photocatalystareinvestigated．TheapplicationsaboutTiQ|photocatalystarediscussedsuchasorganicwastewaterhandle，VOCsinatmosphereandSOonTheperspectiveofsi。multaneousdesulfurizationanddenitrificationbasedOilTiphotocatalysisisproposed．ThestudydirectioninthefutureispointedoutKeywords：TiO2photocatalyst；hydroxylradicals；mechanism；application中图分类号：0643．3文献标识码：B文章编号：1009—4032(2005J04—0043—05光催化氧化处理污染物是一种新兴的颇有发展前途的技术，其中纳米TiO2光催化应用技术工艺简单、成本低廉，利用自然光即可催化分解细菌和污染物，具有高催化活性LlJ、良好的化学稳定性和热稳定性J、无二次污染、无刺激性、安全无毒等特点，且能长期有益于生态自然环境，是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。此外，由于颗粒的细微化，纳米材料具有块状材料所不具备的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。1TiO2的光催化机理半导体的能带结构通常是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能价带构成，它们之间的区域称为禁带。禁带是一个不连续区域J。当能量大于或等于半导体带隙能的光波辐射此半导体催化剂时，处于价带的电子(e)就会被激发到导带上，价带生成空穴(h)，从而在半导体表面产生具有高度活性的空穴／电子对l4J。TiO2的带隙能为3．2eV，相当于波长为387．5am光子的能量，当TiO2受到波长小于387．5Ylm的紫外光照射时，处于价带的电子就会被激发到导带上，从而分别在价带和导带上产生高活性的光生空穴和光生电子。Tjo2HTjO2(h，e)在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。热力学理论表明，分布在TiO2表面的空穴可以将吸附在其表面的OH一氧化成·0H(。Ti4+h+OH一一Ti4+·OHTi4+h+H20一Ti+·OH+H而电子(e一)具有很强的还原性，使得TiO2固体表面的电子受体如02被还原。He一+02‘02H022HO2‘H202。+‘02H202。+‘02一0H一+‘OH+02H202+h2·OHh+0H一一·0H02既可以抑制光催化剂上电子和空穴的复合，提高反应效率，同时也是氧化剂，可以氧化已经羟化的反应产物，是表面羟基自由基的另一个来源(。缔合在Ti表面的·OH是水体中存在的氧化剂中氧化能力最强的，能够氧化大部分有机污染物及部分无机污染物，将其最终降解为c02，H20等无害物质，并且对反应物几乎无选择性，因而在光催化氧化中起着决定性的作用(引。TiO2表面高活性的电4维普资讯http://www.cqvip.com2005年12月电力环境保护第2l卷第4期子具有很强的还原能力，可以还原去除水体中的重金属离子。但电子也极易与空穴复合，使光催化效率降低，若体系中存在电子接受体，则可降低空穴与电子的复合率，提高催化效率。由于纳米级的TiO，粒径小，表面原子多，增大了表面光生载流子的浓度，使光催化效率大大提高；TiO2比表面积大，吸附能力强，其表面吸附的OH一、H2O增多，使反应效率提高；由于纳米TiO2的氧化还原电位发生了变