《光催化技术》PPT课件.ppt

什么是光 触 媒,1、光触媒PHOTOCATALYSIS 是 光 Photo=Light+触媒(催化剂)catalyst 的合成词。光触媒是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，光触媒是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的 OH-及 O 2-自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。,某些物質會吸收特定波長的光，使其分子達到激發態，具十分活潑的性質，可與其他物質進行反應，此種物質稱之為光觸媒。目前市面上最常見的就是二氧化鈦光觸媒。,什麼是光觸媒？,二、原理,二氧化钛光触媒反应原理,光催化反應可分為下列几個步驟，：1.反应物、氧氣及水分子吸附于二氧化钛表面；2.经紫外线光照射后，二氧化钛生生电子及空穴；3.电子和空穴被捕捉而分別存在二氧化鈦表面；4.電子空穴与氧及水分子形成氫氧自由基；5.氫氧自由基与反应物进行氧化反应；6.产物再由二氧化鈦表面脫离。,From:Dr P.A.Christensen Research Group,光觸媒反應有效利用之關鍵限制,粒徑大小約1000nm的二氧化鈦粒子中電子從體內擴散到表面需10-7秒，而粒徑大小約10nm的二氧化鈦僅需10-11秒，故電子與電洞複合的機率就變小。,電子/電洞的壽命在10-9-10-12秒之間，如何將反應物移到TiO2表面反應是重點，故TiO2的奈米化十分重要。,什么是光催化?,概括说来，就是光触媒在外界可见光的作用下发生催化作用。光催化一般是多种相态之间的催化反应。光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照）下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。,光催化氧化反应机理,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CO2和水。反应机理如下：下图是半导体的能带结构示意图。由图可见，半导体能带结构与金属不同的是价带(VB)和导带(CB)之间存在一个禁带。用作光催化剂的半导体一般具有较大的禁带宽度，有时称为宽带隙半导体。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子和空穴,具体来说（见下图），在光照下，如果光子的能量大于半导体禁带宽度，其价带上的电子（e-）就会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴（h+）。激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，并产生热能或其他形式散发掉。当催化剂存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子和空穴的复合得到抑制，就会在催化剂表面发生氧化还原反应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，一般与表面吸附的H2O，O2反应生成氧化性很活波的羟基自由基（OH）和超氧离子自由基（O2-）。能够把各种有机物氧化直接氧化成CO2、H2O等无机小分子，而且因为他们的氧化能力强，使一般的氧化反应一般不停留在中间步骤，不产生中间产物。,光催化的技术特征,（1）低温深度反应：光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则需要在极高的温度下才可将污染物摧毁，即使用常规的催化氧化方法亦需要几百度的高温。（2）净化彻底：它直接将空气中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是将污染源转移。（3）绿色能源：光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧化还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。,（4）氧化性强：大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点，对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有机物具有特别意义，光催化的有效氧化剂是羟基自由基（HO），HO的氧化性高于常见的臭氧、双氧水、高锰酸钾、次氯酸等。（5）广谱性：光催化对从烃到羧酸的种类众多有机物都有效，美国环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光催化得到治理，即使对原子有机物如卤代烃、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般经过持续反应可达到完全净化。（6）寿命长：理论上，催化剂的寿命是无限长的。,光触媒的特点,1）杀菌：光触媒通过喷涂在物体表面形成光触媒涂膜。经光线照射后，涂膜表层会产生具有强氧化性氢氧自由基和活性氧，这两种离子能穿透细菌的细胞膜，使其细胞质流失而导致死亡，同时能将细菌尸体分解成CO2和 H2O，不会产生二次污染，此外还可以有效的抑制细菌的再生。杀菌能力高达99.99%以上。,2）防霉：光触媒可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，使细菌和病毒失去活性并被分解，可以有效的防霉变质，在江南沿海及其它有梅雨季节的地区有着明显的使用。,3）净化空气：因TiO2所产生的氢氧自由基会先行破坏有机气体分子的能量键，使有机气体成为单一的气体分子，加快有机物质、气体的分解，将空气中的甲醛、苯等各种有机物、氮氧化物、硫氧化物以及氨等氧化，还原成为无害物质。分解家居或办公楼的家私、装修使用的油漆及木地板等建筑材料以及汽车的内饰材料均会产生大量的有毒气体，从而达到净化空气的效果,4）除臭：由于其为纳米级产品，比表面积大，比活性碳、HEAP有更强的吸附力，亦具有活性碳所没有的分解功效。二氧化钛TiO2比臭氧（O3）负离子，有更强的氧化能力；光触媒可强力分解臭源，加快有机物质、有毒气体的分解，提高空气净化效率。甲醛、乙醛、甲酸、苯酚、尼古丁等是空气中异臭味的主要来源，经光触媒的作用能彻底分解以上有机物质，除去空气中散布的臭味、异味及有毒气体。,5）防污自洁：光触媒强大的氧化作用可使其分解附着于其表面的油污，使灰尘不易附着，其超亲水性又可使附着在物体表面的水分形成水膜，并渗入污垢与光触媒的界面，使污垢的附着力大幅降低，雨水冲刷可使墙面洁净如新。6）防紫外线的特点：TiO2光触媒具有吸收紫的特性，可使被涂面免遭紫外线的老化作用，大大处长被涂面的使用寿命。,光触媒的优点,1）安全。常温条件下就可反应，能耗小，不易着火。最终产物是二氧化碳和水等无机无害分子，对人体无害。但张敬畅教授告诉我们，由于二氧化碳的强氧化性，可能会对针织饰物、油漆家具表面产生一些破坏。消费者在使用光触媒时，应该多了解这方面的知识。2）彻底。光触媒分解空气中各种有害有机物，解决了传统空气净化方法存在的二次污染问题。,3）高效。光触媒虽然在分解空气中的各种有害物质的速度上不尽相同，但可最终将其全部消灭。4）持久。因为二氧化钛很稳定，只起催化作用，本身不损失，所以从理论上来讲光触媒可以永远发挥作用。但专家强调在现实应用上不存在条件的问题，寿命长短跟两个因素直接相关：一是灰尘，我们可以通过定期清洗、风吹的办法来处理；二是空气中的某些气体如二氧化硫可能被氧化成硫磺酸根离子，从而影响光触目惊心媒的使用寿命和效果。,几种常用的光触媒,TiO2、CdS、WO3、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等纳米光触媒：CdS,Fe2O3,TiO2,ZnO等TiO2的优点：催化活性高、化学性质稳定、成本低、无毒因此被广泛应用,光触媒及光催化技术应用领域,