光催化技術(shù)在環(huán)境治理中的應(yīng)用

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摘 要： 

光催化氧化技術(shù)是一種能有效利用太陽能的綠色技術(shù)。因其具有降解效率高、操作簡單、無二次污染、可直接利用太陽光等特點(diǎn)，在光解水制氫、處理大氣污染物和廢水污染物等環(huán)境治理方面有著非常廣泛的關(guān)注度。本文從光催化氧化技術(shù)應(yīng)用的三大方面進(jìn)行了闡述，并展望了光催化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：光催化技術(shù)；降解；環(huán)境治理

1 前言

近些年來，光催化氧化技術(shù)作為一種環(huán)境友好型的綠色技術(shù)，能高效利用太陽能治理環(huán)境問題，同時(shí)具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在環(huán)境日益污染嚴(yán)重且能源短缺的現(xiàn)有情況下，被廣大研究者認(rèn)為是緩解能源危機(jī)、解決環(huán)境問題的可持續(xù)發(fā)展的方法之一[1]。1972 年，自日本科研人員 Fujishima 和 Honda 研究發(fā)現(xiàn)采用二氧化鈦光解水的原理后，首次提出光催化氧化技術(shù)以來，光催化氧化技術(shù)開始受到全球研究者的廣泛關(guān)注。

2 光催化氧化技術(shù)的原理

光催化氧化技術(shù)是利用光反應(yīng)和催化反應(yīng)協(xié)同作用的光化學(xué)過程。在太陽光(外加光源)的照射下，主要是利用表面具有強(qiáng)氧化還原性的光催化材料(一般選擇采用半導(dǎo)體光催化材料)與污染物發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到光催化氧化的目的，可實(shí)現(xiàn)光解水制氫、處理大氣污染物和廢水污染物等過程[2]。根據(jù)電子能帶的相關(guān)理論，半導(dǎo)體光催化材料的能帶可分為低能價(jià)帶(VB)和高能導(dǎo)帶(CB)，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間我們稱為禁帶，其寬度即叫做禁帶寬度(Eg)。一般認(rèn)為，外界光源照射反應(yīng)體系時(shí)，禁帶寬度小于或者等于被照射的光子能量，電子(價(jià)帶上)被激發(fā)而產(chǎn)生躍遷后，在價(jià)帶上留下了空穴，組成了大家熟知的電子-空穴對。由于電場的作用，電子和空穴經(jīng)過分離，到達(dá)光催化材料的表面，還原性的電子，與體系中的溶解氧反應(yīng)生成超氧自由基(O2•-)、羥基自由基(HO2•)以及過氧化氫(H2O2)等，而氧化性的空穴，與 H2O 和 OH-反應(yīng)生成羥基自由基(·OH)等活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)通過降解礦化有機(jī)污染物，最終降解為無毒無機(jī)的二氧化碳和水。

3 光催化氧化技術(shù)在大氣污染治理中的研究

環(huán)境中的大氣污染物主要來自于化工石油行業(yè)氣體的排放，機(jī)動(dòng)車尾氣和人為活動(dòng)等?；诠獯呋趸夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)，越來越多的研究者們選擇采用該技術(shù)來處理降解氣態(tài)污染物，使得有害氣體順利轉(zhuǎn)化為無害氣體，達(dá)到去除污染物的目的[3]。研究發(fā)現(xiàn)，王淑勤[4]等采用 Co-Ce 共摻雜 Ti O2 作為光催化材料，對濃度為 762 μg /m3 的 NO 可見光催化效率高達(dá) 92.69 %；羅穎基[]等發(fā)現(xiàn)制備出的 Ti O2/GO 復(fù)合材料，分別與純的二氧化鈦和氧化石墨烯相比較，明顯增強(qiáng)了光催化處理 VOCs 的能力；呂鯤[6]等總結(jié)分析了光催化氧化技術(shù)對一些典型大氣有機(jī)污染物、氮氧化物、硫化物以及二氧化碳等有較高的去除效率，以二氧化鈦為例，去除率一般能達(dá)到 80%~99%之間；周文君[7]等制備復(fù)合光催化材料 Cu O-Ti3+ /Ti O2( Cu-Ti MB)，對其在可見光條件下氣相甲苯凈化催化性能進(jìn)行了研究。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該方法制備的 Cu O-Ti3+ /Ti O2 (Cu Ti MB) 復(fù)合光催化材料對甲苯具有較好的催化活性。

4 光催化氧化技術(shù)在光解水制氫中的研究

光催化分解水制氫主要是光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一種過程。在光催化分解水制氫過程中，躍遷到光催化材料表面的電子通過還原氫離子而產(chǎn)生氫氣[8]。需要注意的一點(diǎn)是，光催化材料的導(dǎo)帶位置必須與水的還原電位相匹配，一定要構(gòu)成光催化材料導(dǎo)帶的最上層能級(jí)比水的還原產(chǎn)氫電位(φ(H＋／H2)＝0)更負(fù)，才能順利產(chǎn)氫。研 究 表 明 ， 李 和 川 [9] 等 研 究 制 備 金 屬 有 機(jī) 大 環(huán)[Ni2(L2)2(CH3CN)4](Cl O4)4·4CH3CN，在可見光照射下的光解水產(chǎn)氫 TON 值可以達(dá)到 3100 mol H2·molcat-1；楊林林[10]等成功合成氧雜蒽染料修飾鈷-硫脲配合物，與配合物相比較，提升了體系的催化活性，其產(chǎn)氫 TON 值可以達(dá)到 2800 mol H2·molcat-1；張晶晶[11]等采用 In2O3 /Zr O2 -Ti O2 空心球復(fù)合材料產(chǎn)氫，結(jié)果表明其具有較好的產(chǎn)氫效果，在八小時(shí)內(nèi)可達(dá)到 6. 7 μmol /g。 

5 光催化氧化技術(shù)在水污染治理中的研究

光催化氧化技術(shù)對于處理廢水污染物來說，是一種高效節(jié)能的綠色技術(shù)。在深度處理工業(yè)廢水、制藥廢水和染料廢水等含有多種難降解物質(zhì)的廢水中，相較于傳統(tǒng)的廢水處理方法，具有高效性和可循環(huán)利用性等優(yōu)勢，可將難降解有機(jī)污染物完全礦化為二氧化碳和水[12]。研究發(fā)現(xiàn)，楊國軍[13]等采用逐次插層氧化石墨烯的方法成功制備了 Ag/Ag Br-Ti O2/GO 復(fù)合光催化材料，光照 20 min 后甲基橙的降解率可達(dá) 92 %以上；王家強(qiáng)[14]團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套光催化處理設(shè)備，用來處理 60 t/d 的醫(yī)療廢水，經(jīng)自主設(shè)計(jì)的光催化撬裝設(shè)備處理后，COD、氨氮等主要指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，對類大腸菌群去除率高達(dá) 99%；李瑤[1]等合成了 Cu-Ti O2/白云母復(fù)合納米材料，經(jīng)過對 20 mg/L 的的亞甲基藍(lán)光催化 1 h 后，亞甲基藍(lán)完全被降解；王竹梅[16]等采用水熱法合成制備了 Ni O/Ti O2 復(fù)合納米管，相對于純二氧化鈦，對甲基橙的去除率提升了 88.6%；張晶[17]等模擬日光光源，Sb2WO6 /g-C3N4 作為光催化復(fù)合材料，經(jīng) 60 min 光照 后 ， 對 Rh B 的 去 除 率 可 達(dá) 99. 3% ； 張 曉 君 [18] 等 發(fā) 現(xiàn)Ag I/Ag3PO4-10 %復(fù)合光催化材料較純的光催化材料，在光催化效率和穩(wěn)定性方面具有明顯的提高，在可見光照射一小時(shí)后，對羅丹明 B 降解率可達(dá)到 99 %。

6 光催化氧化技術(shù)的展望

根據(jù)上述所知，光催化材料在外界光源的照射下，通過將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，進(jìn)而產(chǎn)氫或去除有機(jī)污染物。但是，可見光輻射僅占太陽光輻射的 47 %，研究制備的光催化材料中只有部分是在可見光區(qū)域有響應(yīng)的。因此，假設(shè)我們想盡可能有效的利用太陽光，那么就亟待開發(fā)高效的可見光響應(yīng)型光催化材料，這在光催化氧化技術(shù)研究進(jìn)程中具有非常重要的意義。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，光催化材料在使用一次之后可能會(huì)出現(xiàn)失活的現(xiàn)象。換言之，部分已研發(fā)的光催化材料在反應(yīng)過程中非常不穩(wěn)定，這極大的限制了光催化氧化技術(shù)的進(jìn)行。我們需要尋找開發(fā)具有較好的穩(wěn)定性和循環(huán)利用性的光催化材料，以便于反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。綜上所述，尋找一種或多種高效穩(wěn)定的可見光響應(yīng)型光催化材料迫在眉睫。光催化氧化技術(shù)的發(fā)展空間是巨大的，研究者們可以為該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展做出更多的努力，不斷改革創(chuàng)新，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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作者：郭婧 戴友芝 劉林 陳躍輝 周瓊芝 單位：湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院