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光触媒的作用机理及特点
2019-09-15  来源:企业动态: 点击:581
光催化技术是指利用不同光源照射某些物质使之具有催化反应功能的技术,故光催化技术又称光触媒技术。能在光作用下具有催化功能的物质叫光触媒或光催化剂;光源主要可以紫外光或含有紫外光的灯光、自然光和日光。目前应用广泛的光触媒主要是TiO2,有可能作为实用的触媒的还有ZnO和SiO2。纳米光催化技术是利用纳米技术将触媒物质如TiO2作成纳米级范围内颗粒(5~10nm),使之能适应更多的光源,发挥出更好的光催化效果;故把经纳米技术处理的光触媒称之为纳米光触媒或纳米光催化剂。
1.光触媒作用机理
TiO2之所以能成为一种综合效果极优的光触媒,是由于其特有的能带结构所致。TiO2满的价带和空的导带之间的禁带宽度(金红石型为3.0eV,锐钛型为3.2eV),当它吸收的光子能量大于禁带宽度时,价带中的电子就会被激发到导带,在导带形成高活性的电子(e-),同时在价带相应产生一个带正电的空穴(h+),即生成电子·空穴对。TiO2表面的空穴可与水分子或羟基吸附进而发生反应,生成具有极高反应活性的OH·自由基。OH·自由基具有402.8MJ/mol的反应能,高于有机化合物中的各类化学键能,因此可促进多数有机化合物发生氧化反应,并进一步氧化生成CO2和H2O。
2.纳米TiO2光触媒的特点
纳米TiO2的激发态电子到达表面的时间比普通TiO2要短得多.掺杂的金属或金属氧化物可降低TiO2的禁带能量,并且使生长的电子、空穴不容易复合。故具有较高的光催化反应活性,由于采用纳米材料的比表面积很大(>140m2/g),因而吸附能力也就相应较强。这就为光催化反应提供了大的活性表面,可与污染物更充分地接触,将他们极大限度地吸附在粒子表面。TiO2对于污染物质分解活性随TiO2的结晶型、粒径、制法变化很大。通常,平均粒径小于20nm的超微粒子活性较高。究其原因,除反应场的表面积大以外,激起电子及电子穴的移动距离小,充分地发挥了其量子尺寸效果等也起到重要作用。因光触媒活性化所须的300~400nm紫外线只占到达地表太阳能量的3~5%,因此去除大气中的NO并不一定要有强紫外线,也就是说光触媒只要获得0.1mW/cm2的能量(这和阴天获得的紫外线强度相等),就能发挥其功效。
光触媒作用主要特点有:
(1)作用广谱,在光触媒反应过程中,不仅能破坏生物因子,也能破坏各种有机化学物质;
(2)在光触媒反应过程中,二氧化钛不参与反应,只起催化媒介作用,其本身并不随时间延长而消耗,因此使用寿命持久;
(3)经过纳米技术工艺处理的触媒,可在含有微弱紫外线的灯光、自然光、阳光等多种光源下发挥作用;
(4)完全无害,由于纳米二氧化钛本身不释放出有害物质且本身不参与反应,在反应过程中将所作用的物质完全氧化成无害的二氧化碳和水等无害物质,因此光触媒作用对环境完全无害。