光催化技术在环境治理中的应用.docx
光催化技术在环境治理中的应用摘要：光催化氧化技术是一种能有效利用太阳能的绿色技术。因其具有降 解效率高、操作简单、无二次污染、可直接利用太阳光等特点,在 光解水制氢、处理大气污染物和废水污染物等环境治理方面有着非 常广泛的关注度。本文从光催化氧化技术应用的三大方面进行了阐 述，并展望了光催化技术的发展趋势。关键词：光催化技术；降解；环境治理1前言近些年来，光催化氧化技术作为一种环境友好型的绿色技术,能高 效利用太阳能治理环境问题，同时具有较好的热稳定性和化学稳定 性，在环境日益污染严重且能源短缺的现有情况下，被广大研究者 认为是缓解能源危机、解决环境问题的可持续发展的方法之一口。 1972年，自日本科研人员Fujishima和Honda研究发现采用 二氧化钛光解水的原理后，首次提出光催化氧化技术以来，光催化 氧化技术开始受到全球研究者的广泛关注。2光催化氧化技术的原理光催化氧化技术是利用光反应和催化反应协同作用的光化学过程。 在太阳光(外加光源)的照射下，主要是利用表面具有强氧化还原性 的光催化材料(一般选择采用半导体光催化材料)与污染物发生反应, 达到光催化氧化的目的，可实现光解水制氢、处理大气污染物和废 水污染物等过程2。根据电子能带的相关理论，半导体光催化材料 的能带可分为低能价带(VB)和高能导带(CB),价带和导带之间我们 称为禁带，其宽度即叫做禁带宽度(Eg)。一般认为，外界光源照射 反应体系时，禁带宽度小于或者等于被照射的光子能量，电子(价带 上)被激发而产生跃迁后，在价带上留下了空穴，组成了大家熟知的 电子-空穴对。由于电场的作用，电子和空穴经过分离，到达光催化 材料的表面，还原性的电子，与体系中的溶解氧反应生成超氧自由 基(。2-)、羟基自由基(H02)以及过氧化氢(H2O2)等，而氧化性 的空穴，与H20和0H-反应生成羟基自由基(0H)等活性基团， 这些活性基团通过降解矿化有机污染物，最终降解为无毒无机的二 氧化碳和水。3光催化氧化技术在大气污染治理中的研究环境中的大气污染物主要来自于化工石油行业气体的排放，机动车 尾气和人为活动等。基于光催化氧化技术的优点，越来越多的研究者们选择采用该技术来处理降解气态污染物，使得有害气体顺利转 化为无害气体，达到去除污染物的目的3。研究发现，王淑勤4 等采用Co-Ce共掺杂Ti 02作为光催化材料，对浓度为762 p g/m3的NO可见光催化效率高达92.69 % ;罗颖基等发现制 备出的Ti 02/G0复合材料，分别与纯的二氧化钛和氧化石墨烯相比较，明显增强了光催化处理VOCs的能力；吕鲸等总结分 析了光催化氧化技术对一些典型大气有机污染物、氮氧化物、硫化 物以及二氧化碳等有较高的去除效率，以二氧化钛为例，去除率一 般能达到80%99%之间；周文君等制备复合光催化材料Cu O-Ti3+/Ti 02( Cu-Ti MB),对其在可见光条件下气相甲苯净化催 化性能进行了研究。通过对实验结果分析，该方法制备的Cu 0-Ti3+ /Ti 02 (Cu Ti MB)复合光催化材料对甲苯具有较好的催 化活性。4光催化氧化技术在光解水制氢中的研究光催化分解水制氢主要是光能转化为化学能的一种过程。在光催化 分解水制氢过程中，跃迁到光催化材料表面的电子通过还原氢离子 而产生氢气8。需要注意的一点是，光催化材料的导带位置必须与 水的还原电位相匹配，一定要构成光催化材料导带的最上层能级比 水的还原产氢电位(p(H + / H 2)=0)更负，才能顺利产氢。研究 表明，李和川9等研究制备金属有机大环Ni2(L2)2(CH3CN)4(CI O4)4-4CH3CN ,在可见光照射下的光解 水产氢TON值可以达到3100 mol H2-molcat-l ;杨林林10 等成功合成氧杂葱染料修饰钻-硫眼配合物，与配合物相比较，提升 了体系的催化活性,其产氢TON值可以达到2800 molH2-molcat-l ；张晶晶11等采用 In2O3 /Zr 02 -Ti 02 空心球复 合材料产氢，结果表明其具有较好的产氢效果，在八小时内可达到 6. 7 pmol /g05光催化氧化技术在水污染治理中的研究光催化氧化技术对于处理废水污染物来说，是一种高效节能的绿色 技术。在深度处理工业废水、制药废水和染料废水等含有多种难降 解物质的废水中，相较于传统的废水处理方法，具有高效性和可循 环利用性等优势，可将难降解有机污染物完全矿化为二氧化碳和水12。研究发现，杨国军13等采用逐次插层氧化石墨烯的方法成 功制备了 Ag/Ag Br-Ti O2/GO复合光催化材料，光照20 min 后甲基橙的降解率可达92 %以上；王家强14团队设计了一套光 催化处理设备，用来处理60 t/d的医疗废水，经自主设计的光催化撬装设备处理后，COD、氨氮等主要指标均达标,对类大肠菌群 去除率高达99% ;李瑶等合成了 Cu-Ti 02/白云母复合纳米材料，经过对20 mg/L的的亚甲基蓝光催化1 h后，亚甲基蓝完全被降解；王竹梅16等采用水热法合成制备了 Ni O/Ti 02复合 纳米管，相对于纯二氧化钛，对甲基橙的去除率提升了 88.6% ;张 晶17等模拟日光光源，Sb2WO6/g-C3N4作为光催化复合材料, 经60 min光照后,对Rh B的去除率可达99. 3% ;张晓君18等发现Ag I/Ag3PO4-10 %复合光催化材料较 纯的光催化材料，在光催化效率和稳定性方面具有明显的提高，在 可见光照射一小时后，对罗丹明B降解率可达到99 %。6光催化氧化技术的展望根据上述所知，光催化材料在外界光源的照射下，通过将光能转化 为化学能，进而产氢或去除有机污染物。但是，可见光辐射仅占太 阳光辐射的47 %,研究制备的光催化材料中只有部分是在可见光 区域有响应的。因此,假设我们想尽可能有效的利用太阳光，那么 就亟待开发高效的可见光响应型光催化材料,这在光催化氧化技术 研究进程中具有非常重要的意义。在研究过程中发现，光催化材料 在使用一次之后可能会出现失活的现象。换言之，部分已研发的光 催化材料在反应过程中非常不稳定，这极大的限制了光催化氧化技 术的进行。我们需要寻找开发具有较好的稳定性和循环利用性的光 催化材料,以便于反应的持续进行。综上所述,寻找一种或多种高 效稳定的可见光响应型光催化材料迫在眉睫。光催化氧化技术的发 展空间是巨大的,研究者们可以为该技术进一步发展做出更多的努 力，不断改革创新，促进生态环境的可持续发展。
