光催化机理半导体材料在紫外及可见光照射下,将光能转化为化学能,并促进有机物的合成与分解,这一过程称为光催化。光催化活性高(吸收紫外光性能强:能隙大,光生电子的还原性和和空穴的氧化性强)。因此其广泛应用于水纯化,废水处理,有毒污水控制,空气净化,杀菌消毒等领域。

 一、 光催化在环保方面的应用

(1)有机污染物的处理:光催化反应能分解多种环保上关注的有机物,还可消毒、脱色等。值得一提的是,光催化能将许多物质降解得十分彻底,最终产物除了C0和0外,初始污染物中含有的卤素、硫、磷和氮等分别被转化为X一、S042-、P043-、NO3-等无机盐离子,大大减轻甚至完全消除了危害性。

(2)无机污染物的处理:光催化能够解决汞、铬、铅等重金属离子的污染问题。刘森等以Zn0/Ti02为催化剂,以日光为光源,利用Zn0和T02的协同光催化作用对电镀含铬废水进行处理,使cr6离子还原为Cr3离子,再以氢氧化物形式除去后者,从而达到治理的目的。光催化过程同样能够处理其他污染性金属。光催化还可降解氰化物等剧毒污染物”。另外S042-、N03-等有害气体均可吸附于光催化剂表面,并在光的作用下转化。

 

金属催化剂的制备: Herrmann等研究表明,在锐钛矿型Ti02的作用下,HPtC1溶液首先按方程(1)的反应在T102表面沉积出单个的Pt原子¨,然后以此为生长点,Pt离子按方程(2)逐步被还原生成单质金属微粒,得到性能改进的负载型催化剂Pt/Ti2Pt+2H20一→Ptu+4H+0(g)(1)Pt4++-→Pt4+Pt24+→→Pt2一Pt34+…-→Ptm(2)由Pt、Pd、Rh、Au、Ag和Ir等贵金属的盐溶液出发,均可在光催化作用下在Tio,、Zm0、W0等表面沉积出金属颗粒,或制成由半导体.

贵金属的回收:利用光催化反应沉积金属离子可实现贵金属的工业提取,例如从银离子溶液中经类似于(1)的反应提取金属银。光催化提取贵金属适用于处理常规方法无能为力的极稀溶液,用较简便的方法使金属富集在催化剂表面后,再用其它方法将其收集回收。

二、纳米二氧化钛的应用

   随着人们生活质量和水平的不断提高,对Ti02光催化杀菌性能进行了不断的开发和利用,并将其广泛应用于日常生活中。根据需要不同,纳米Ti02可制备成粉末或薄膜材料。将纳米TiO2薄膜涂覆于材料表面制备成抗菌材料,如抗菌陶瓷、抗菌玻璃、抗菌不锈钢等,将纳

米Ti0粉末掺杂于其他材料中可制备成抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌纤维等。涂覆Ti02纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷在日本已进行了工业化生产。主要用于医院、食品加工等场所,但抗菌效果受到了光源条件的限制。为了充分利用室内的太阳光和弱光,人们又积极开发了新型的抗菌陶瓷。制备的表面镀有纳米Ti02薄膜的自清洁陶瓷,在无光照条件下,l5min内对金黄色葡萄球菌的灭菌率超过80%。制备的Ti02抗菌陶瓷,在普通荧光灯下,对金黄色葡萄球菌的灭菌率可达以85%纳米Ti02薄膜涂覆于玻璃(如日用玻璃器皿、平板装饰玻璃等)

表面,可制成有杀菌功能的玻璃制品,广泛应用于医院、宾馆等大型公共场所。

(1)有机物合成:光催化反应不仅可以降解许多有机化合物,在适当的条件下还可用来合成一些有机化合物,尤其是有机聚合物。Hoffman等研究了量子尺寸Cds光催化剂引发甲基丙烯酸甲酯的聚合反应,并与其它量子尺寸光催化剂作了比较,发现引发该反应的能力依次为:Ti0,<Zno<Cds,即CdS催化剂引发活性最高。与大尺寸半导体相比,量子尺寸的半导体表现出良好的引发聚合效率。

(2)无机物合成:光催化反应还可用于水分解制氢、合成氨“等重要无机化学反应过程。利用半导体光催化剂催化水分解制氢,将太阳能转化成化学能,是当今光催化研究领域的热门课题。 Karaktisou等的研究表明,当Ti0,的表面有其它金属存在时,有利于氢气的生成,双功能Pt-Ru0,/Ti0,光催化体系是最有效的水分解制氢催化剂,氢的生成速率与溶液p值呈指数关系,与光照强度和反应体系的搅拌速度呈线性关系。

三、光催化在卫生保健方面的应用

    由于光催化过程具有强氧化性,对大多数的微生物都有很强杀伤力。因此,可作为杀菌消毒的手段,尤其用于生活用水的净化。光催化不仅能够杀死普通的细胞和病菌,还能使某些癌细胞死亡。Cai等指出,以直径约300A的超细Ti0,悬浮液(100ug/m1)为催化剂,在紫外光下照射10min,可将恶性HeLa细胞完全杀死。光催化治癌并不局限于杀伤人工培养的细胞样品,同样也能杀伤实验动物体内的癌细胞。尽管目前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己得到广泛关注。

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