光催化技术在特种应用化学领域的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：魏明秋（1994）女，汉族，河北保定人，本科，河北省地质实验测试中心，助理工程师，研究方向为实验检测方向。-125-光催化技术在特种应用化学领域的研究 魏明秋 河北省地质实验测试中心，河北 保定 071051 摘要：摘要：光催化技术是利用半导体材料在光的作用下产生具有氧化和还原能力的活性物种，从而使污染物发生一系列变化的过程，通常光催化技术用于处理有机废水、空气净化、杀菌消毒等领域。由于半导体材料本身具有吸收光谱范围较窄的特性，在太阳光作用下容易激发电子-空穴对产生氧化还原反应，从而使有机污染物发生氧化或还原反应，在达到一定程度后可以降解污染物。该技术具有节能、无污染等优点，因此在特种应用化学领域具有广泛的应用前景。关键词：关键词：光催化技术；特种应用化学；催化剂 中图分类号：中图分类号：TQ116 光催化技术是利用光照射某些物质时，它的分子在特定波长的光激发下发生一系列的变化，从而产生某种或多种活性物质，这些活性物质具有催化作用。由于光催化反应是在常温常压下进行的，反应条件温和，产物安全无毒，反应过程无二次污染。因此，它在生产、生活等领域有很好的应用前景。1 特种应用化学领域中光催化技术的特点 目前研究光催化反应的方法主要是制备纳米 TiO2（TiO2 纳米管）光催化剂。其基本原理是 TiO2 在激发态时能发出可见光，从而把太阳能转化为化学能而使有机物质降解。如：染料降解、有机污染物降解、空气净化、污水处理等。其特点主要表现在：1.1 太阳能的利用效率高 太阳能是取之不尽用之不竭的，用之不尽，是当今人类解决能源问题的最佳途径之一。太阳能利用技术主要有以下几种：光催化技术、太阳能光热技术、光电化学技术、光解水技术。目前，对太阳能的利用主要以光催化为主导，包括光解水、光解气和光催化有机污染物的降解。其主要原理是在光照下，产生氧气和水，通过化学反应使污染物发生氧化还原反应，达到净化空气和污水的目的。太阳光照条件下产生氧气和水，光催化反应不需要氧气或其他助燃物；没有催化剂的使用，避免了传统催化剂在使用过程中易被氧化及催化剂中毒等问题；并且污染物降解后产生的物质无毒无害。1.2 反应条件温和，无二次污染 由于 TiO2 的光催化反应是在常温常压下进行的，所以反应条件温和，无二次污染，非常适合于工业化生产。且该反应在常温常压下进行，因此可以减少对能源的消耗。在常温常压下进行，不会造成资源浪费和环境污染。因为TiO2的催化氧化过程是在光照条件下进行的，因此不会产生大量的有毒有害气体和有腐蚀性的气体，这就避免了对环境造成二次污染。同时，由于 TiO2 为半导体材料，在光照条件下，可以产生大量的电子和空穴（即电子-空穴对），这些光生电子和空穴可以发生复合而被消耗掉，不会产生有害气体和有腐蚀性的气体。1.3 可降解多种污染物 TiO2 是一种可以将各种有害的有机污染物降解成无害物质的光催化剂，其对有机污染物的降解包括：（1）将有机污染物降解成 CO2、H2O 等无机物。（2）将有机污染物氧化成自由基，如 OH 等，破坏污染物的分子结构，从而使污染物达到降解目的。（3）将有机物氧化分解为 CO2和 H2O 等无害物质，如将酚类化合物氧化生成乙酸等物质。（4）将有机物中的芳香族化合物氧化生成芳族化合物等。1.4 能产生“电子-空穴”对，具有强氧化能力 在可见光照射下，TiO2 把电子转移给物质，使其活化。并产生自由基。自由基在光催化反应中起着非中国科技期刊数据库 工业 A-126-常重要的作用。这些自由基是一些常见的低沸点化合物，如甲醛、乙醛、二氧化碳等，在一定条件下能发生光生电子和空穴的复合，最终氧化成 CO2和 H2O。目前光催化技术已经有了很大发展，但还有许多问题需要解决，如 TiO2的表面处理方法、光催化剂的稳定性等。纳米 TiO2（TiO2纳米管）光催化剂是一种重要的半导体材料，其研究方向是在纳米尺度上提高其催化活性。通过调控 TiO2晶型、掺杂以及表面改性等手段来提高其光催化活性。2 光催化技术在特种应用化学领域中应用措施 2.1 降解有机污染物 在化工、制药等行业，工业废水中含有大量的有机污染物，如苯类、酮类、酚类等，这些物质在光催化过程中会发生一系列复杂的氧化反应，因此对废水中有机污染物的去除是当前研究的热点。通过光催化技术可以实现废水中有机物的降解，使其达到排放标准。该技术可以有效处理有机废水中的难降解物质，减少环境污染。例如，李长进等人使用 TiO2对印染废水进行处理，结果表明该技术能够有效去除印染废水中的苯酚、甲苯、二甲苯等物质。此外，利用 TiO2对环境中有毒有害污染物进行去除时，其过程较为复杂，不仅需要考虑到降解效率问题，还需要考虑到活性物种的产生过程以及能量消耗问题。因此，提高光催化剂对污染物降解的效率是该技术目前面临的问题。2.2 降解有机物 光催化技术对有机污染物的降解效率很高，具有广阔的应用前景。光催化技术与其他技术相结合，可以将污染物的降解效率提高到 90%以上，在处理有机废水、空气净化等方面具有独特的优势。光催化处理有机废水的反应机理是光催化降解反应中，光催化剂是主体，而氧化还原反应中的催化剂是关键。在废水处理过程中，常采用具有氧化还原能力的 TiO2、Fe2O3、ZnO 等半导体材料来降解废水中的有机污染物。TiO2是一种高效光催化剂，能将水中的有机物氧化为 CO2和 H2O，一般利用其可见光吸收特性对有机污染物进行降解。其具有良好的吸附能力，可用于处理有毒有害物质浓度较高的废水，通常可去除 90%以上的有机物。2.3 杀菌消毒 目前，杀菌消毒方法主要有紫外线灯照射法、化学消毒剂喷洒法、二氧化氯等，但这些方法存在很多不足，如紫外线灯照射法具有使用方便、成本低等优点，但是其在使用过程中会产生大量的臭氧和二次污染物，且杀菌效果不佳；化学消毒剂喷洒法具有杀菌速度快，但是其在使用过程中会产生大量的氯气和有机气体，且消毒后残留的物质容易对人体造成伤害。二氧化氯是一种高效的广谱型消毒剂，其不仅能有效杀灭细菌、病毒等微生物，还能氧化分解有机物，因此被广泛应用于饮用水消毒、污水处理等领域。二氧化氯在杀菌消毒方面表现出良好的性能，但其在使用过程中也存在一定的缺陷，如对水的 PH 值有较高的要求、存在一定的安全隐患等。2.4 除臭 光催化除臭原理是利用臭氧的氧化作用和半导体材料的光生电子-空穴对分解作用。通常采用二氧化钛（TiO2）或二氧化钛和其他的固体化合物，如氢氧化物和铁系催化剂组成的光催化材料，利用光照产生活性氧化物质。当空气中含有一定浓度的污染物时，其中的有机物分子和小分子（如硫、氮、氨等）在紫外光照射下，被激发到高能态，并在催化剂表面上生成氧分子等自由基，将有机污染物分解成 CO2和 H2O 等无害物质。利用光催化技术处理恶臭气体主要包括恶臭气体的化学变化、物理变化以及生物反应等，其中化学变化是主要反应。光催化材料吸收光照后可以将废气中的大分子污染物如 H2S、NH3、CH4等转变成小分子有机物，如 CO2、H2O 等，从而达到除臭目的。光催化技术还可以用于消除污水站臭味。2.5 污水处理 光催化氧化技术在污水处理领域的应用主要体现在废水中有机污染物的降解上，其原理是利用 TiO2或ZnO 等半导体材料表面吸附和光催化作用产生羟基自由基，与水中的有机物结合进行降解。例如，赵世林等研究了 TiO2和 ZnO 复合后光催化活性的变化，结果表明，当 TiO2与 ZnO 复合后光催化活性增强，在可见光区产生的羟基自由基被有机物降解；也有研究表明，紫外光照射下 TiO2与 ZnO 复合后可以提高对废水中有机污染物的降解效率。而将光催中国科技期刊数据库 工业 A-127-化技术与高级氧化法相结合可以实现废水中难降解有机污染物的高效率处理。例如，何晓霞等通过在 TiO2表面负载 Fe3O4纳米粒子和铜氧化物半导体（CuO/TiO2）复合后制备光催化材料，其对硝基苯酚和苯酚的降解率分别达到了 97%和 85%，其反应过程可通过电子传递和电子-空穴对产生。2.6 空气净化 在光催化处理过程中，光催化剂本身具有一定的净化空气的能力，可以将空气中的有害气体进行氧化分解，从而使其转化成无害气体。在光催化处理空气污染物过程中，通常使用 TiO2作为光催化剂，因为 TiO2本身具有较高的稳定性，在光照下会产生高活性物种，从而实现对空气污染物的去除。根据相关实验研究表明，TiO2能够将空气中的苯、甲苯、二甲苯等有机污染物降解为无毒无害的物质。另外，有研究人员利用 TiO2光催化处理空气中的甲醛，结果表明在甲醛浓度为 0.03mg/m3 时，经过 1.5h光照后甲醛去除率达到 99.8%。在室内空气中加入纳米TiO2可以有效净化室内空气。随着现代社会经济发展水平的提高，人们对于居住环境要求也越来越高。因此在特种应用化学领域中利用光催化技术进行处理污染物是一个极具发展潜力的研究方向。2.7 降解污染物 光催化技术对水中有机污染物具有很好的处理效果，可以达到净化水质的目的，同时还能够提高废水中有机物的可生化性。在实际生活中，光催化技术主要用于处理高浓度有机废水，可去除水中大部分有机污染物。在工业废水处理中，光催化技术主要用于降解工业废水中的有机物、氨氮等。光催化技术能够有效地去除有机污染物和氨氮，具有较好的应用效果。另外，在染料废水处理中也广泛应用了光催化技术。3 特种应用化学领域中光催化技术的未来发展趋势 3.1 构建高效可见光催化剂 在传统的半导体催化剂中，TiO2是应用最广泛的半导体光催化剂。但由于 TiO2自身的禁带宽度较大，限制了其在可见光下的光催化活性，这就需要通过半导体改性、掺杂或表面修饰等方法来拓宽 TiO2的吸收波长，从而提高其在可见光下的光催化活性。近年来，开发高效可见光催化剂一直是国内外学者研究的重点。目前，针对高效可见光催化剂主要从以下几个方面进行研究：（1）开发新型可见光催化剂。通过引入助催化剂、半导体材料等方法来拓宽 TiO2在可见光下的吸收波长；（2）构建异质结结构。通过掺杂、复合等手段来构建异质结结构，提高材料对太阳能的吸收效率；（3）开发新型半导体材料。利用一些具有特殊形貌或能带结构的半导体材料，如碳基材料、金属纳米颗粒、金属氧化物等作为新型催化剂，拓宽 TiO2在可见光下的催化活性。3.2 研究新型半导体光催化剂的制备技术 由于半导体光催化材料的特殊性能，使得其在各种应用领域都有很大的潜力，但也面临着许多困难，如：光生载流子分离效率低、稳定性差等。因此，未来需要研究新型的半导体光催化剂的制备技术，通过制备不同形貌、尺寸的纳米颗粒，提高光催化剂的光催化活性和稳定性。在制备纳米颗粒时，目前主要采用机械研磨和化学法。由于颗粒小、比表面积大，机械研磨法能显著提高纳米颗粒的比表面积，因此广泛用于制备 TiO2和ZnO 纳米颗粒。而化学法制备 TiO2和 ZnO 纳米颗粒时，由于其原料成本高、操作复杂等原因，很难得到高活性和高稳定性的催化剂。因此，研究开发新型的半导体光催化剂的制备技术具有重要意义。此外，半导体光催化剂还存在着量子效率低、光生载流子复合严重等问题。3.3 开发高选择性、高活性和稳定性的光催化剂 目前，在光催化技术中，对产物的选择性和活性是最为关注的两个方面。选择性主要是指产物的选择性和目标产物与非目标产物的分离。光催化技术由于其本身的局限性，对于目标产物的选择需要更高的选择性，因此，开发具有较高选择性和活性的光催化剂具有很大的意义。光催化技术对于目标产物的选择主要通过两种途径，一种是通过对催化剂表面进行改性以提高其表面反应活性，另一种是利用不同种类半导体之间的协同效应提高催化剂表面对非目标产物的选择性。近年来，已经有很多学者对此进行了大量研究并取得了较大进中国科技期刊数据库 工业 A-128-展。例如，研究人员已经成功开发出了具有高选择性和高活性的光催化剂。这一方向将会在特种应用化学领域中得到进一步发展。4 结语 光催化技术是一种利用光化学原理处理环境污染物的方法，是将半导体催化剂、光化学反应器、离子交换树脂等多种处理技术结合起来，对各种有机污染物进行处理。光化学技术通过控制光强或施加外加电场可以使污染物发生氧化反应或还原反应而降解污染物。常见的光化学反应器包括光催化氧化反应器和光催化还原反应器两种类型。光化学还原反应器利用半导体催化剂将污染物中的毒性较大的污染物还原为毒性较小的物质，通过化学反应将污染物转化为无毒无害的物质。参考文献 1付杰,金岩,武道吉等.TiO2 光催化技术在蓝藻代谢物处理中的应用J.净水技术,2023,42(07):8-15.2王丹丹,蔺兆鑫,谷慧杰等.钼酸铋在光催化技术中的改性与应用J.化学进展,2023,35(04):606-619.3何景儒.TiO2 光催化技术降解印染废水的研究进展J.辽宁化工,2022,51(12):1762-1764.4曹怡婷,王俏,许泽涛等.金属有机框架/铋基复合材料的光催化技术应用研究进展J.广东工业大学学报,2022,39(04):113-120.