光催化研究进展

光催化的研究进展

摘 要 近年来，控制污染、保护环境，实现可持续发展成为全人类的迫切愿望和共同心声。光催化以其经济，无毒，无害,无腐蚀性，可反复使用，可降解有机物，无二次污染，超水性的优点引起了人们的广泛关注。本文介绍了多数人认同的光催化原理，对近年来光催化在的研究进展作了较为详尽的综述，包括光催化处理水中污染物、处理空气中污染物，以及在超亲水性材料方面的研究、在卫生保健方面的研究、在金属催化剂制备和贵金属回收方面的研究，最后对光催化做了展望。 关键词 光催化，研究，应用

Prospect and progress in the Photocatalysts

Abstract Recently,It’s high time to control the pollution ,protect the environment.Because of the merits of economic,non-toxic,reused,degrading the organics, Photocatalysts has drawn more attention .Mechanisms of Photocatalysts, the applications in degradations of several contaminants in water and air . The research on superhydrophilic coating ,health,the preparation and recycle of several expensive metals are introduced in this passage . Finally , prosperity of photocatalysts is also given.

Keywords Photocatalysts research application

20世纪以来，人类在享受迅速发展的科技所带来的舒适和方便的同时，也品尝着盲目和短视造成的生存环境不断恶化的苦果。控制污染、保护环境，实现可持续发展成为全人类的迫切愿望和共同心声。20世纪70年代，光催化技术以其经济性，无毒、无害、无腐蚀性，可反复使用，可将有机污染物完全矿化成和无机离子，无二次污染以及最近发现的超亲水性的优点引起人们广泛关注。

1 光催化原理

光催化反应是利用一定波长的光照射某些具有能带结构的半导体光催化剂如TiO2、ZnO、WO3、CdS等使其产生光生载流子,从而促使许多难以实现的光化学反应能在常规条件下进行。

半导体的基本能带结构是:由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，价带和导体之间由禁带分开。当用能量等于或大于禁带宽度的光照射时，半导体价带上的电子被激发跃迁到导带,同时在价带上产生相应的光生空穴(h+),这样就在半导体内部生成电子—空穴对。由于半导体能带的不连续性,电子和空穴的寿命较长,并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。光生空穴具有极强的得电子能力,可夺取半导体颗粒表面有机物或溶液中的电子，使原本不吸收光的物质都被活化氧化。而光生电子具有很好的还原性，电子受体通过接受光生电子而被还原 。半导体光催化剂的光生空穴以其强劲的氧化能力可以分解破坏许多有机

物 。但是也有研究认为，氧化反应可能通过光生空穴直接发生。目前光催化反应详细机理仍然是人们争论的话题。

2 光催化研究进展

2.1光催化处理水中污染物

水中的污染物主要来源于工业废水、生活废水以及水处理过程中引入的污染物，其中包括有机磷化合物（杀虫剂，农药等）、含卤素化合物、表面活性剂、染料、烃类、苯类、油类、酚类、醚类以及重金属离子等。研究表明，利用光催化技术不但可以使这些有机物彻底地降解为无机盐和CO2，而且能使重金属离子还原消除。Calza等

［1］

研究了CCl3Br、CBr3F、

CHCl2Br和CH2BrCl的光催化降解反应，发现该反应由Cl自由基引发后经链增长、链终止，最终生成CO2、HCl。对于含苯基和长链烷烃的表面活性剂，虽然光催化作用很难将其彻底氧化为CO2和H2O，但是光催化通过打碎苯环和长链烷烃可减少其在微生物处理中对细菌的毒害作用，有利于进行微生物处理。

光催化技术能将水中许多有机物彻底矿化,具有能耗低、操作简便、反应条件温和,无二次污染和分解速度快等优点,有望成为新的高效节能的环境污染治理技术。[2] 2.2 光催化处理空气中污染物

研究表明，利用光催化技术可以高效降解或完全矿化一些常见的气相有机污染物，而不产生二次污染

［3］

。 目前，对于大气及室内污染物的光催化净化主要集中在研制高活性的负

载型光催化剂以及对含负载型光催化剂的空气净化装置的设计方面,如光催化技术与活性炭的联合处理。在室内空气领域,则以研究降解甲醛和苯系物的为最多。就实验条件而言,研究者侧重于考察催化剂改性及复配、光源频率及光强、浓度、催化剂载体等因素对降解的影响,研究成果丰富。钱星等[4]发现以泡沫镍网作为载体,活性炭和纳米掺锑氧化锡粉末光催化剂能明显提高甲醛光催化降解速率。申柞飞等[5]对纳米与相互作用增强净化效果进行了理论分析,介绍了表面经基含量、晶相组成、薄膜的厚度等因素对净化性能的影响。美、日已经有利用光催化技术制备的空气净化设备，用于处理室内、隧道、医院内的有害气体；家用和车用光催化空气净化器有良好的净化空气、杀菌、除尘的效果。

室内环境空气污染问题在我国普遍客观存在并且比较严重,且因为这种污染对人身体的严重伤害,所以室内空气净化市场无疑是大有可为的。拥有众多特点和优势的光催化技术在此领域应该有所作为,随着应用和市场开发的深人,其优势必将得到市场的认可。随着研究与应用的深入,廉价、灵活、高效的光催化室内空气净化器终将走进千家万户,造福大众 。

2.3 光催化在超亲水性材料方面的研究

1997年Wang等[6]发现经紫外光照射的Ti02半导体薄膜具有超亲水性，即水与Ti02半导体薄膜表面接触，接触角由几十度迅速变小，最后达到0士1°，从此人们就开始了对超亲水性涂料薄膜的研究。

目前研究认为,在光照条件下,TiO2表面的超水性是由于表面结构的变化导致的。利用这一性质可以制备自清洁材料。自清洁材料使用的光催化剂还有良好的光催化氧化能力和表面超亲水性能。日本开发的汽车后视镜用自清洁PET薄膜和汽车车身专用超亲水材料,均已被日产汽车公司采用。据测算,用自清洁材料涂装的汽车可以减少洗车用水90%。在我国,北京首都体育馆、北京工人体育场、北京奥体中心也都用光催化自清洁材料进行了装饰。超亲水涂料可用于防止水滴在内窗玻璃和温室形成，这可以达到保护蔬菜腐烂的目的。将超亲水表面施用于热交换器中，可以提高临界热流数值，从而提高热交换效率。此外，超亲水表面在建筑降温，生物医药方面也有多种应用。 2.4 光催化在卫生保健方面的研究

光催化的氧化性对大多数微生物都有强杀伤力，因此可以考虑作为杀菌消毒的手段，尤其是用于生活用水的净化。光催化不仅仅能杀死普通的细菌和病毒，它还能使某些癌细胞失活。Cai及其合作者

［7］

以TiO2超细粉末的悬浮液(100mg/L)作为催化剂，紫外光照射10min

后可将恶性He La细胞完全杀死，无催化剂或无光照时上述癌细胞的死亡率很低，说明对癌细胞的杀伤是源于光催化效应而非简单的热效应。光催化治癌并不局限于人工特意培养的细胞样品，它同样能杀伤实验动物体内的癌细胞。将适当剂量的TiO2超细微粒精确注入病变部位，借助医用光导纤维传输紫外光照射，便可对选定的肿瘤细胞予以杀灭。

尽管距实际临床应用尚有大量工作要做，但光催化技术在卫生保健方面的潜在应用价值已为人们所关注。可以期望，对它的深入研究也许能为绝望中的恶性肿瘤患者开启一扇希望之门。

2.5 光催化在金属催化剂制备和贵金属回收方面的研究

光催化除了用于治理重金属污染外，基于其还原能力还可应用于金属催化剂制备和贵金属回收。

光催化可作为制备各种负载型金属催化剂的一种方法。在锐钛矿型TiO2的作用下，H2PtCl6溶液发生反应,在TiO2表面沉积出单个的Pt原子[8。Pt、Pd、Rh、Au、Ag和Ir等

］

相应的盐溶液均可借光催化在ZnO、WO3表面尤其是在TiO2表面沉积出金属颗粒,做成形如Pt-Rh、Ag-Rh及Pt-Pd等由半导体担载的具有特定功能的双金属催化剂[9，为某些反应提

］

供有力的催化手段。工业上可利用光催化使金属离子沉积以实现贵金属的提取。Hung等人10

［

］

以Na2S2O3作为此络合剂和h+俘获剂,从含银废液中通过光催化提取金属银。光催化提取贵金属的突出优点在于它适用常规方法无能为力的极稀溶液，以较为简便的办法使贵金属富集在催化剂表面，然后再用其它方法将其收集起来加工回收。不难理解，向体系加入还原能力适中的试剂俘获价带h+，使更多的e-参与离子的还原反应将有助于金属的析出。由于各种金属的氧化还原电位不同，当溶液中同时存在多种金属离子时它们将选择性地顺序析出若条件控制得当，光催化甚至还可用于混合离子的分离。

此外，光催化还被应用于化合物合成中[12]。

［11］

，

3 光催化展望

目前关于光催化剂对各种有机物氧化降解的普适性已成为共识，虽然不同有机物在结构、组成上的差别使得光催化剂在降解活性上有一些差别，但总体上看，光催化基本上是一个没有选择性的化学过程，所以在进行大量的不同反应物的光催化活性的评价研究意义已不是很显著，当前重复研究、无明显根据的解释已时有出现，所以未来的光催化研究应该集中在机理的深刻认识、光响应范围宽和量子效率高的催化剂制备、和光催化剂技术工程化及新型光催化产品开发四个方面。首先要高度重视反应机理的研究，其次是光催化剂的开发，第三是进行光催化技术的工程化研究和开发光催化剂的新应用[13]。在环境污染日益严重的今天，既然现用催化剂的效率决定了其难于处理高浓度和量大的污染物，就应该把更多的注意力先放在某些污染处理量不大或者有显著光照的场合，如室内空气、饮用水的灭菌和净化，建筑物的外墙面等方面的研究，同时寻求开发其它的新应用领域，如在医疗、新材料光催化合成等等。

参 考 文 献

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[4] 钱星,李梅,路庆华 纳米二氧化钦光催化降解空气中甲醛影响因素的研究[J],实验室研究与探索，2004,23（12）：12—14

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