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淮北师范大学信息学院2012届学士学位论文多相光催化的研究现状及环境应用系别：化学系专业：应用化学学号：姓名：指导教师：张茂林指导教师职称：教授2012年5月11日1引言 12多相光催化作用原理 13多相光催化氧化的特性和研究现状 23. 1多相光催化氧化的特性 23. 2催化剂的筛选 23. 3TiO,光催化剂的制备及研究 23. 4光催化剂催化活性提高 34光催化氧化在环境中的应用 34. 1有机污染物的处理 34. 2无机污染物处理 44. 3光催化氧化法在废水处理中的应用 44. 4大气的净化 45结束语 4参考文献 5致谢多相光催化的研究现状及环境应用摘要 多相光催化技术是光化学领域和环保领域中的研究热点之一本文介绍了 半导体多相光催化氧化的机理，概述了多和光催化氧化过程具有使用范围广，可 使污染物彻底破坏，适用于低浓度污染物治理等特性介绍了国内外研究的现状 和发展，并对有代表性的光催化剂进行了简单介绍综述了近年来有关贵金属沉 积、金属离子掺杂、复合半导体、半导体的表面光敏化等改性手段对光催化活性 的影响，并对其原理进行解释和说明木文对多相光催化在环境治理中的应用结 果进行了总结，包括对各种有机污染物氧化和各种无机污染物治理，并对光催化 氧化技术今后研究方向和工作重点提出了一些设想。

关键词多催化氧化；光催化剂；环境应HL TiO2Present research status and environmental application ofheterogeneous photocatalysis technologyAbstract The heterogeneous photocatalysis has become one of the popular research subjects in the fields of photochemistry and environmental protection. This paper describes the mechanism, present research status, research progress of the heterogeneous photocatalysis, and its application in actual environmental field. Presentative photocatalysts are introduced and it are summarized that the present modification methods on the photocatalysts such as rare metal deposition, metal ion doping, surface sensitization, composite semiconductors, which principles are also explained and described. Photocatalysis has been an area of rapidly growing interest over the last decades for its potential application in solving environmental problems. In this paper, advances in the photocatalytic destruction of organic contaminants and inorganic contaminants arc summaried. In addition, the major issues and some recommendation related to the photocatalysis oxidation technology are presented. Keywords heterogeneous photocatalysis; photocatalyst; environmental application;TiO21引言光催化(Photocatalysis)是一，种在催化剂存在下的光化学反应，是光化学与 催化剂的有机结合，因此光和催化剂是光催化的必要条件。

IUPAC〔z］把“光催化” 定义为：通过催化剂对光的吸收而进行的催化反应(a catalytic reaction involving light absorption by a catalyst or a substrate )o光催化现象在自然界早已存在,例如植 物的光合作用就是典型的光催化反应，可是人们对“光催化”这一术语的使用并不 长，这一术语的提岀虽然可以追溯到二十世纪三十年代，但直到二十世纪七十年 代初才为人们所熟知1972年，日本学者Fujishima和Honda⑶在《自然》杂志上 发表了一篇论文，报道了在光辐射下TiO?单晶电极上可以分解水产牛氢气这一 成果标志着光催化技术新吋代的到来从那以后，人们对光催化技术引起了浓厚 的兴趣，来自化学、物理、材料等诸多领域的研究工作者，就太阳能的转化和储 存、光化学合成以及光催化降解环境污染物等课题进行研究，寻找新型光电转化 及光催化材料，研究光电转化和光催化过程的机理，想方设法地提高光电转化及 光催化的效率和活性多相光催化氧化法作为一种高级化学氧化技术，近年来口益引起国内外的重 视，他采用半导体材料(一般为锐钛矿型二氧化钛)作为催化剂，当能量相当于 半导体禁带宽度的光照射到催化剂表而时，就会激发半导体内电子从价带跃迁到 导带，形成具有很强活性电子■空穴对，并进一步诱导一系列氧化还原反应的进行, 从而达到去除污染物的H的。

在环境污染日益严重的今天，净化和保护环境已经成为当务之急，光催化氧 化技术作为一种新的环境净化技术越来越为人们所重视⑷山，在光催化剂存在的情 况下，利用太阳光和空气可直接把许多有机污染物分解为一•些无机小分子物质如 二氧化碳和水，使有害物质分解，而又不带来二次污染适用范围广，由于半导体 多相光催化氧化技术在环境保护方而的优点，人们对它的研究H益深入，近年来 研究表明光催化法不仅适用于废水处理，而且对处理气相污染物也十分有效本 文综述了近年来光催化氧化技术对污染物处理的技术，着重介绍了半导体多相光 催化氧化的机理以及催化剂改性和研究现状方面进行论述，并对H前光催化氧化 技术存在的问题和今后研究方向提出一些看法2多相光催化作用原理根据晶体能带理论可知，半导体的能带结构与绝缘体、导体的能带结构不同 半导体的价带(Valence Band)与导带(Conduction Band)不发牛重叠，它们之间 存在着一个大小适中的禁带(Forbidden Band),禁带的大小常用带隙能兔来衡量对于不同的半导体材料，其带隙能大小不同，相应的光吸收阈值竝是不同的 半导体的光吸收阈值兀与带隙能Eg的关系为〔⑵：./ 、 1240瓦7乔J当半导体材料受到一定能量的光辐射后，如果该光的波长疋如，即huNEg吋, 价带中的电子会被激发到导带上，形成带负电的导带电子同吋在价带上产牛 带正电的价带空穴h\,即形成了电子-空穴对，又叫半导体的载流子。

与金属相 比，半导体粒子能带缺少连续区域，因而电子■空穴对寿命较长TiO2为例半导体多相光催化作用如下：(1)TiO2h++H2O ► OH + IT (2)c- + O2 ► Q +H~ ► HO? (3)2HOr ► O2+H2O2 (4)2H2O2 + O2: ► OH+OH- + O2 (5)TiCh带隙能为3.2cv,相当于波长为387.5nm光子的能量，当波长小于387.5nm的 紫外光照射时，价带上电子跃迁导到带丄，形成电子■空穴对方程（1）产牛的 &和h+除了可以直接于反应物作用，还可以与吸附在催化剂丄其它电子受体或给 体反应当溶液中有02存在时，光牛电子和Ch作用牛成02•进而与FT作用牛成 ho2-,最终牛成具有高度化学活性的游离基・oh,来氧化降解有机物3多相光催化氧化的特性和研究现状3.1多相光催化氧化的特性（1） 催化下将光能直接转变为化学能，使许多通常情况下难以实现的反应在比较 温和的条件下能够顺利进行2） 光催化法相比较于其它方法具有选择性好，使用范围广等优点，特别适用于 无法或很难进行牛物降解的污染物3） 光催化氧化法结构简单，并且操作条件容易控制4） 在光催化剂存在的条件下，利用太阳光和空气可直接把许多有机污染物最终 分解为一些无机小分子物质，达到分解有害物质的H的而又不带来二次污染。

5） 以适用于低浓度污染物的治理，通常可以使污染物浓度降到ppb级6） 使用空气或氧气为氧化剂，具有价廉，安全的优点，不彖臭氧法或氯化法使用价 格高且有毒害性的氧化剂3.2催化剂的筛选半导体催化剂具有光活性的条件为只要半导体吸收光能（hv）大于其带隙能，足 以激发产牛电子和空穴，该半导体就有可能用做光催化剂经过研究，光催化氧 化催化剂以n型半导体居多，包括有TiO2, ZnO,CdS,WO3,Fe2O3等，但大多数半 导体容易发牛腐蚀，其pTiO2化学性质非常稳定，且具有无毒，货源充足，价格 低廉等优点，所以成为H前应用最广泛的催化剂TiCh主要有两种晶型：锐态型和金红石型经过研究证明［⑶，锐态型催化活性 优于金红石型，是应用研究的主要对象3.3 TiO2光催化剂的制备及研究早期的光催化氧化研究，主要使用粉末光催化剂，存在催化剂难以回收效率 低下等缺点近年来开发光化学反应器的研究日益活跃起来，其中固定相光催化 法尤其引人关注，催化剂的固定就是将半导体催化剂用一•定的方法固定在某些惰 性载体上，已研究过的载体有沙子、玻璃珠、玻璃丝、玻璃管以及聚合物等n 前负载型催化剂的制备成为研究的焦点，制备负载型TQ催化剂方法有两种，一 种是利用粉末状TiCh催化剂固定在载体上，另一•种制备方法是采用水解或溶胶一 凝胶法，将钛化合物沉积在载体上，Dibble和Raupp曾采用溶胶■凝胶法制备硅胶 为载体的负载型催化剂并将其用于流化床反应器，采用溶胶■凝胶法相对与其他法 具有结晶好薄膜均匀等优点，还可以通过改变参数来控制膜表面积和孔结构，从 rfn提高活性。

制备纳米TiCh的方法归纳为气相法和液相法气相法由于制造成木高，产量 低，所以H前多采用液相法来制备TiO2,其中以金展醇盐水解法和沉淀法为主金属醇盐水解法通常被设计成溶胶■凝胶法，首先以醇钛盐为原料，无水乙 醇为有机溶剂，并且加入一定量的醇和水，通过控制反应物的不同配比可制得颗 粒溶胶或聚合溶胶由此可见反应物不同配比将直接影响制得TiO2粉末颗粒大小 和光催化活性共沉淀法直接制得通常使用TiCl, Ti(SO4)2> TiOSO4等无机物为 反应物3.4光催化剂催化活性提高3.4.1催化剂表面的贵金属沉积金属在催化剂表而沉积，形成电子积累中心，沉积量过大，将加速光致电子 和空穴复合适当的沉积量吸引光致电子，从血提高光催化剂的活性此外， Rufus.B.T.等发现当Pd光沉积于CdS吋，减少了 CdS腐蚀，并使CdS吸收波长范 围扩大至517nmo金属在半导体表面沉积可采用普通浸渍法和光还原法研究表 明将Pt、Pb、Ag、斤、Au、Ru等惰性金属沉积在催化剂表面可以提高光催化反应 的效率主要机理是，通过惰性金属和TiCh构成电极对光牛载流子重新分配，电 子可从费米能级较高的n—半导体转移到费米能级较低的金属半导。