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了解光催化原理及應用

 

    光催化機理半導體材料在紫外及可見光照射下,將光能轉化為化學能,并促進有機物的合成與分解,這一過程稱為光催化。光催化活性高(吸收紫外光性能強:能隙大,光生電子的還原性和和空穴的氧化性強)。因此其廣泛應用于水純化,廢水處理,有毒污水控制,空氣凈化,殺菌消毒等領域。

 一、 光催化在環保方面的應用

(1)有機污染物的處理:光催化反應能分解多種環保上關注的有機物,還可消毒、脫色等。值得一提的是,光催化能將許多物質降解得十分徹底,最終產物除了C00,初始污染物中含有的鹵素、硫、磷和氮等分別被轉化為X一、S042-P043-NO3-等無機鹽離子,大大減輕甚至完全消除了危害性。

(2)無機污染物的處理:光催化能夠解決汞、鉻、鉛等重金屬離子的污染問題。劉森等以Zn0/Ti02為催化劑,以日光為光源,利用Zn0T02的協同光催化作用對電鍍含鉻廢水進行處理,使cr6離子還原為Cr3離子,再以氫氧化物形式除去后者,從而達到治理的目的。光催化過程同樣能夠處理其他污染性金屬。光催化還可降解氰化物等劇毒污染物”。另外S042-N03-等有害氣體均可吸附于光催化劑表面,并在光的作用下轉化。

 

金屬催化劑的制備: Herrmann等研究表明,在銳鈦礦型Ti02的作用下,HPtC1溶液首先按方程(1)的反應在T102表面沉積出單個的Pt原子¨,然后以此為生長點,Pt離子按方程(2)逐步被還原生成單質金屬微粒,得到性能改進的負載型催化劑Pt/Ti2Pt+2H20一→Ptu+4H+0(g)(1)Pt4++-Pt4+Pt24+→→Pt2Pt34+-Ptm(2)PtPdRhAuAgIr等貴金屬的鹽溶液出發,均可在光催化作用下在Tio,Zm0W0等表面沉積出金屬顆粒,或制成由半導體.

貴金屬的回收:利用光催化反應沉積金屬離子可實現貴金屬的工業提取,例如從銀離子溶液中經類似于(1)的反應提取金屬銀。光催化提取貴金屬適用于處理常規方法無能為力的極稀溶液,用較簡便的方法使金屬富集在催化劑表面后,再用其它方法將其收集回收。

二、納米二氧化鈦的應用

   隨著人們生活質量和水平的不斷提高,Ti02光催化殺菌性能進行了不斷的開發和利用,并將其廣泛應用于日常生活中。根據需要不同,納米Ti02可制備成粉末或薄膜材料。將納米TiO2薄膜涂覆于材料表面制備成抗菌材料,如抗菌陶瓷、抗菌玻璃、抗菌不銹鋼等,將納

Ti0粉末摻雜于其他材料中可制備成抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌纖維等。涂覆Ti02納米膜的抗菌瓷磚和衛生陶瓷在日本已進行了工業化生產。主要用于醫院、食品加工等場所,但抗菌效果受到了光源條件的限制。為了充分利用室內的太陽光和弱光,人們又積極開發了新型的抗菌陶瓷。制備的表面鍍有納米Ti02薄膜的自清潔陶瓷,在無光照條件下,l5min內對金黃色葡萄球菌的滅菌率超過80%。制備的Ti02抗菌陶瓷,在普通熒光燈下,對金黃色葡萄球菌的滅菌率可達以85%納米Ti02薄膜涂覆于玻璃(如日用玻璃器皿、平板裝飾玻璃等)

表面,可制成有殺菌功能的玻璃制品,廣泛應用于醫院、賓館等大型公共場所。

(1)有機物合成:光催化反應不僅可以降解許多有機化合物,在適當的條件下還可用來合成一些有機化合物,尤其是有機聚合物。Hoffman等研究了量子尺寸Cds光催化劑引發甲基丙烯酸甲酯的聚合反應,并與其它量子尺寸光催化劑作了比較,發現引發該反應的能力依次為:Ti0,<Zno<Cds,CdS催化劑引發活性最高。與大尺寸半導體相比,量子尺寸的半導體表現出良好的引發聚合效率。

(2)無機物合成:光催化反應還可用于水分解制氫、合成氨“等重要無機化學反應過程。利用半導體光催化劑催化水分解制氫,將太陽能轉化成化學能,是當今光催化研究領域的熱門課題。 Karaktisou等的研究表明,Ti0,的表面有其它金屬存在時,有利于氫氣的生成,雙功能Pt-Ru0,/Ti0,光催化體系是最有效的水分解制氫催化劑,氫的生成速率與溶液p值呈指數關系,與光照強度和反應體系的攪拌速度呈線性關系。

三、光催化在衛生保健方面的應用

    由于光催化過程具有強氧化性,對大多數的微生物都有很強殺傷力。因此,可作為殺菌消毒的手段,尤其用于生活用水的凈化。光催化不僅能夠殺死普通的細胞和病菌,還能使某些癌細胞死亡。Cai等指出,以直徑約300A的超細Ti0,懸浮液(100ug/m1)為催化劑,在紫外光下照射10min,可將惡性HeLa細胞完全殺死。光催化治癌并不局限于殺傷人工培養的細胞樣品,同樣也能殺傷實驗動物體內的癌細胞。盡管目前距實際臨床應用尚有大量工作要做,但光催化技術在衛生保健方面的潛在應用價值己得到廣泛關注。

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