光催化原理

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光催化原理是基于光催化剂在光照的条件下具有的氧化还原能力,从而可以达到净化污染物、物质合成和转化等目的。通常情况下,光催化氧化反应以半导体为催化剂,以光为能量,将有机物降解为二氧化碳和水。因此光催化技术作为一种高效、安全的环境友好型环境净化技术,对室内空气质量的改善已得到国际学术界的认可。 [1] 
中文名
光催化原理
外文名
Photocatalytic principle
催化材料
半导体材料
优    点
操作简单、能耗低、无二次污染
能    量
类    别
环境净化技术

光催化原理发展历程

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光催化是藤岛昭教授在1967年的一次试验中,对放入水中的氧化钛单晶进行紫外灯照射,结果发现水被分解成了氧和氢而发现的。通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思,光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质,其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。
光催化剂的种类其实很多,包括二氧化钛,氧化锌,氧化锡,二氧化锆,硫化镉等多种氧化物硫化物半导体,另外还有部分银盐,卟啉一等也有催化效应,但他们基本都有一个缺点-----存在损耗,即反应前和反应后其本身会出现消耗,而且它们大部分对人体都有一定的毒性。所以,21世纪所知的最有应用价值的光催化材料,就是二氧化钛 [2] 
如何解释光催化这个反应呢,其实,从宏
简单光催过程 简单光催过程
观看,可以把它理解成光合作用的逆反应。
众所周知,最初的地球环境不适合生物生存,后来光合细菌和植物开始用光合作用,用叶绿素作为催化剂,将无机物转化为有机物,它们花了近30亿年才结束了地球的恶劣环境,创造了地球生物发展的温床。而我们的光催化反应则将这个反应反过来了,即催化剂在光的作用下,将有机物转化成了无机物,这对补完自然界的物质循环过程具有巨大的意义。
那么,光催化的微观反应是什么样的呢?通俗的说,二氧化钛粒子本身是很稳定的存在,但是它吸收了紫外光的能量以后,就开始变得“兴奋”起来,把自己身上的电子到处乱扔,于是,它抛出的电子和自身空出的“电位”就变成了撕扯有机物大分子的“刀”,而当能量减弱以后,二氧化钛粒子就需要“歇会”了,它扔出去的电子也全部跑了回来,和空出的电位结合,于是,二氧化钛粒子在不消耗自己的情况下,将有机物降解了,这个过程很复杂,但最终的产物是二氧化碳和水。

光催化原理原理介绍

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光催化的原理是利用光来激发二氧化钛等化合物半导体,利用它们产生的电子空穴来参加氧化—还原反应。 当能量大于或等于能隙的光照射到半导体纳米粒子上时,其价带中的电子将被激发跃迁到导带,在价带上留下相对稳定的空穴,从而形成电子—空穴对。由于纳米材料中存在大量的缺陷和悬键,这些缺陷和悬键能俘获电子或空穴并阻止电子和空穴的重新复合。这些被俘获的电子和空穴分别扩散到微粒的表面,从而产生了强烈的氧化还原势。 [3] 

光催化原理相关概念

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光催化原理导带

导带(conduction band)是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。导带是半导体最外面(能量最高)的一个能带,是由许多准连续的能级组成的;是半导体的一种载流子——自由电子(简称为电子)所处的能量范围。

光催化原理价带

价带(valence band)或称价电带,通常是指半导体或绝缘体中,在0K时能被电子占满的最高能带。对半导体而言,此能带中的能级基本上是连续的。全充满的能带中的电子不能在固体中自由运动。

光催化原理禁带

在能带结构中能态密度为零的能量区间。常用来表示价带和导带之间的能态密度为零的能量区间。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。半导体的禁带宽度较小,当温度升高时,电子可以被激发传到导带,从而使材料具有导电性。

光催化原理能隙

能隙(Bandgap energy gap)或译作能带隙,在固态物理学中泛指半导体或是绝缘体价带(valence band)顶端至导带(conduction band)底端的能量差距。

光催化原理优点

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操作简单、能耗低、无二次污染、效率高。
1.直接用空气中的氧气做氧化剂,反应条件温和(常温 常压) 2.可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子,净化效果彻底。 3.半导体光催化剂化学性质稳定,氧化还原性强,成本低,不存在吸附饱和现象,使用寿命长。
光催化净化技术具有室温深度氧,二次污染小,运行成本低和可望利用太阳光为反应光源等优点,所以光催化特别合适室内挥发有机物的净化,在深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。 常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物,其中二氧化钛的综合性能最好,应用最广。自1972年Fujishima和Honda发现在受辐照的二氧化钛上可以持续发生水的氧化还原反应,并产生氢气以来,人们对这一催化反应过程进行了大量研究。
结果表明,二氧化钛具有良好的抗光腐蚀性和催化活性,而且性能稳定,价廉易得,无毒无害,是目前公认的最佳光催化剂。该项技术不仅在废水净化处理方面具有巨大潜力,在空气净化方面同样具有广阔的应用前景。

光催化原理缺点

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限制光催化应用的原因:
1.光腐蚀
2.光催化剂本身的吸光率和评价中使用光源的波长与强度
3.光催化反应中电子空穴再结合的防止
4.氧化反应开始后的后续反应难以控制
5.比表面积不足 [4] 
通俗的说,光催化剂分解有机物没有选择性,所以,负载催化剂的材料本身也会遭到分解,一旦催化粒子脱落,材料就失效了;第二,催化剂粒子的团聚现象比较严重,导致比表面积太小,催化效果太弱,而由此又导致氧化反应不彻底,反而容易产生其他有害物质。第三,光催化反应对光源的选择性很强,只能在紫外光作用下反应,这也在一定程度上限制了催化效率。
参考资料
  • 1.    何杰,薛茹君.工业催化:中国矿业大学出版社,2014.07:118
  • 2.    佚名. 纳米钛白粉光触媒的应用进展[J]. 技术与市场, 2013(10):240-240.
  • 3.    蒋晓辉.最新新型工程材料生产新技术应用与新产品开发研制及行业技术标准实用大全 十 材料分析测试卷:学苑音像出版社,2004.11:366-367
  • 4.    Z-机制WO_3(H_2O)_(0.333)/Ag_3PO_4复合材料的制备及其增强光催化活性和稳定性(英文)[J]. 催化学报, 2019, 40(03):99-107.