纳米材料在光催化净化空气领域中应用.docVIP

纳米材料在净化空气领域中的应用 摘.. 要: 介绍了纳米半导体材料的光催化机理, 净化空气的优点和国内外相关产品开发、应用的情况。对实验过程中 影响光催化效率的因素及提高光催化能力的途径作了概述。 关键词: 纳米半导体材料; 光催化; 空气净化 空气净化材料的开发与研究。 .. .. 光催化特性是纳米半导体材料的重要特性之一, 这一性质 在环境领域中的应用已有20 余年的历史。具有光催化活性的 光触媒材料很多, 多为n 型半导体氧化物, 其中, 二氧化钛 ( TiO2 ) 因具有高化学稳定性、耐热佳、成本低且无毒等特点, 成 为近年来研究应用的焦点。光催化技术的应用范围十分广泛, 可用于污染水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌防雾和自清洁功能等。 1.. 纳米光催化反应原理 半导体光催化剂大多是硫族化合物半导体, 如TiO2 、CdS 等都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构, 即在价带 ( Valence Band, VB) 和导带( Co nduction Band, CB) 之间存在一 个禁带( Forbidden Band, Band Gap) 。由于半导体的光吸收阈值 与带隙具有式..= 1240/ Eg ( eV) 的关系, 因此常用的宽带隙半 导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体 吸收阈值的光照射半导体时, 半导体的价带电子发生带间跃迁, 即从价带跃迁到导带, 从而产生光生电子( e- ) 和空穴( h+ ) 。此 时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子( .. O-2 ) , 而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢 氧自由基( .. OH) 。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧 化性, 能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2 和H 2O, 甚 至对一些无机物也能彻底分解[ 21] , 特别是在废水、废气的净化, 杀菌除臭等方面已有大量文献报道[9- 13] 。 2.. 影响光催化效果的因素 以TiO2 为代表的光催化剂在使用过程中, 光催化活性会受 到很多因素的影响, 下面对这些实验过程中的影响因素作一简 要概述。 2.. 1 光催化材料的选择 硫族半导体化合物材料有TiO2 , ZnO, ZnS, CdS 及PbS 等, 若 考虑到腐蚀安全及成本等因素, 以T iO2, ZnO 的实用性较好, 其中 又以TiO2 的使用最为普遍。二氧化钛有3 种晶型: 锐钛矿型 ( Anatase) 、金红石型( Rutile) 和板钛型( Bro okite) , 其中具有光催 化功能的主要是锐钛矿型和金红石型, 而且锐钛矿型的光催化活 性较高。近年来, 研究发现锐钛矿与金红石的混晶具有更高的活 性。原因在于, 锐钛矿晶体表面生长了薄的金红石结晶层, 由于 晶体结构的不同, 能有效地促进锐钛矿晶体中的光生电子和空穴 电荷分离( 混晶效应) 。Anpo[8] 研究了粒径与光催化量子产率的 关系后指出, 随着粒径减小, 量子产率提高, 光吸收边界蓝移, 尤 其当粒径小于10 nm 时, 量子产率得到迅速提高。 2.. 2 催化剂量 催化剂的使用量会直接或间接影响到光催化效果。催化剂 量太少, 光量子产率太低, 光催化速度会很慢。催化剂使用量太 大, 则纳米颗粒的分散会比较困难, 粒子易团聚, 从而失去光催 化活性。同时催化剂本身对紫外线也会发生竞争吸收的作用, 光催化效果反而不好。 2.. 3 光源与光强 利用能带结构模型计算的二氧化钛晶体的禁带宽度Eg 为 3. 0 eV( 金红石) 和3. 2 eV( 锐钛矿) , 其光吸收值.. g 与禁带宽度 Eg 可用关系式表示: .. g ( nm) = 1240/ Eg ( eV) 。由此可看出, 金 红石型光催化所需光的最大波长为413 nm, 锐钛矿型为387 nm。而由光电压谱分析表明, 由于二氧化钛表面杂质和晶格缺 陷的影响, 它在一个较大的波长范围里均有光催化活性。因此, 这在对光源的选择上就比较灵活, 如: 黑光灯、高压汞灯、低压汞 灯、紫外灯、杀菌灯等均可用作光源, 波长一般在250~ 400 nm 范围内。Bahanemann[ 15] 等在研究光催化降解三氯甲烷的反应 时发现, 降解速度与光强的平方根存在线性关系。而当光强大 到一定值时, 光催化没有效果, 说明光强过强时, 可能存在中间 产物在催化剂表面的竞争性复合的现象。 2. 4.. pH 值 光催化氧化反应有较高速率, 在低pH 值和高pH 值时都可 能出现, pH 值的变化对不同反应物降解的影响也不同, 且与光 强大小有一定关系。另外, pH 值的大小对分散剂的分散性能有 较大的影响。 .. 2.. 5.. 反应物浓度 二氧化钛光催化氧化反应速率可用Lang