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光催化技术的原理及应用前景

2021-07-26  生物学渣   |  转藏
   

光催化作用就是半导体光催化剂在光照条件下,生成光诱导电子和空穴,具有高能量的光生载流子又可以进一步与H2O及O2反应生成·O2和·OH等强氧化活性物种,半导体本身得到光生h+也可以进一步与有机污染物发生氧化反应,从而将大分子的有机物氧化分解成CO2和H2O或者其他小分子毒性低的有机物。1980年Bard Allen等人研究出了详细的半导体光催化剂催化降解污染物的催化机理,该机理是建立在能带理论上的,半导体具有间接性能带,其主要由导带(CB)和价带(VB)构成,两者之间的能量间隙称为的禁带,不同的半导体具有迥异的带隙宽度。主要的反应过程分为三段,当由太阳或光照发生器产生的光子能量大于该半导体的带隙时,光催化半导体就会吸收入射的光子,从而被激发价带电子(e-),被激发的e-将会迅速的跃迁到导带上,并在价带中留下光生空穴(h+)。此外,光激e-与h+均具有较高的能量和活性,这些生成的光生载流子会有一部分在短时间内再次复合,形成稳定态,另一部分则会与H2O及O2发生氧化还原反应进一步形成具有强氧化作用的自由基从而直接对目标物种产生氧化还原作用,最终实现有机污染物的高效光催化降解通常,CB上的e-与VB上的h+如果具有较大的氧化还原电位差,则越容易得到·O2和·OH以及其它的活性自由基,生成的高活性自由基可以有效催化降解水体污染物。光裂解水则往往需要添加牺牲剂如甲醇等,利用高还原电位的光生e-实现H+到H2的转换。

前景:

当前,光催化技术实现工业化应用仍然有漫长的道路要走,从催化剂到光源的使用,再到整个废水流程的工艺设计,多方面的问题仍然需要不停的改进,诸如如何实现高效的可见光利用,提高光生载流子的分离效率,延长光生载流子的停留寿命,以及光催化剂本身的稳定性和循环再利用性能都需要再做进一步的研究与探讨。

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