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废气处理常见材料之光催化材料


光催化剂


通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思,光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质,其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。
光催化剂是光+催化剂的合成词。光催化剂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,光催化剂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,也能运用自然界的定侓,不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物的“光合作用”,吸收对动物有毒之二氧化碳,利用光能转化为氧气及水。
光催化剂的材料众多,包括二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体,其中二氧化钛(Titanium Di-oxide)因其氧化能力强,化学性质稳定无毒,成为世界上最当红的纳米光催化剂材料。

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H2O。反应机理如下。

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。

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泼的羟基自由基(·OH-)和超氧离子自由基()。能够把各种有机物氧化直接氧化成CO2、H2O等无机小分子,而且因为它们的氧化能力强,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。



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