光催化净化器

科技工作者之家  |   2020-11-17 17:47

光催化净化技术主要是利用光催化剂二氧化钛(TiO2)吸收外界辐射的光能,使其直接转变为化学能。当能量大于禁带宽度的光照射半导体时,光激发电子跃迁到导带,形成导带电子(e-),同时在价带留下空穴阶(h+)。由于半导体能带的不连续性,电子和空穴的寿命较长,它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动,与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应,或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也能直接复合,空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的HO-或H2O发生作用生成自由基HO・,HO・是一种活性很高的粒子,能够无选择的氧化多种有机物并使之矿化。

反应机理光催化反应的本质是在光电转换中进行氧化还原反应。根据半导体的电子结构,当半导体(光催化剂)吸收一个能量大于其带隙能(Eg)的光子时,电子(e-)会从价帯跃迁到导带上,而在价带上留下带正电的空穴(e-)。价带空穴具有强氧化性,而导带电子具有强还原性,它们可以直接与反应物作用,还可以与吸附在光催化剂上的其他电子给体和受体反应。例如空穴可以使氧化,电子使空气中的O2还原,生成H2O2、·OH基团和・H2O,这些基团的氧化能力都很强,能有效地将有机污染物氧化,最终将其分解为CO2、H2O,达到消除VOCs的目的。

一般采用纳米半导体粒子为光催化剂,这是因为:①通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移;②与体材料相比,量子阱中的热载流子冷却速度下降,量子效率提高;③纳米TiO2所具有的量子尺寸效应使其导电和价电能级变成分立的能级,能隙变宽,导电电位变得更负,而价电电位变得更正,这些使其具备了更强的氧化还原能力,从而催化活性大大提高;④纳米粒子比表面积大,使粒子具有更强的吸附有机物的能力,这对催化反应十分有利,粒径越小,电子与空穴复合几率越小,电荷分离效果越好,从而提高催化活性。

光源由于光催化发生的条件是:hv≥Eg,h是普朗克常数,为6.626 ×10-27J·s,v是辐射光频率,Eg是半导体材料价带和导带之间的能级差。可见,较高频率的辐射易产生催化反应。对TiO2,Eg =3.2eV,因此,一般在紫外线光照射下光催化反应才能进行。

光催化反应器中采用的光源多为中压或低压汞灯。如前所述,紫外光谱分为UVA(315~400nm)、UVB(280~315nm)和UVC(100~280nm)。杀菌紫外灯波长一般在UVC波段,特别在254nm。在应用中采用所谓黑光灯(black light lamp)和黑光蓝灯(blacklightbluelamp)效果较好,其辐射波长在UVA波段。185nm以下的辐射会产生臭氧,而上述两种灯的辐射在240nm以上,故不会产生臭氧。

反应器形式光催化反应器形式为:流化床型、固定床型和蜂窝结构型等。固定床具有较大连续表面积的载体,将催化剂负载其上,流动相流过表面发生反应。流化床多适合于颗粒状载体,负载后仍能随流动相发生翻滚、迁移等,但载体颗粒较TiO2纳米粒子大得多,易与反应物分离,可用滤片将其封存在光催化反应器中而实现连续化处理。蜂窝状反应器流动阻力小,最有应用前景,当前市售的纳米光催化反应器多为此种形式。

当前,制约光催化获得大规模应用的瓶颈问题是:①会产生有害副产物;②性能会衰减较快—俗称材料“中毒”或老化;③光催化净化效率不高;④耗能较高。1

本词条内容贡献者为:

郑国忠 - 副教授 - 华北电力大学