半導體光催化氧化技術的研究進展

 　　工業的發展不僅給人類的生活帶來了日新月異的變化，也給人類賴以生存的環境造成了巨大的威肋和危害。所幸的是，隨著環境污染的日益嚴重，人類的環保意識也逐漸增強。在水污染治理方面，化工廢水尤其是含有苯環、多環類污染物的治理成為人們關注的焦點。目前從廢水中去除污染物的方法主要有顆粒活性炭法、氣提法和氧化工藝尊}I。但是，顆粒活性炭法和氣提法只是將物從一種相轉移到另一種相中，因而它們均屬于非破壞性技術，只有氧化工藝才可以將其破壞掉。筆者提到的半導體光催化氧化技術即是氧化工藝的一種，它可利用光生強氧化劑將污染物氧化為H2O,CO2等小分子，且適用范圍廣，能處理多種污染物，特別對難降解的物具有很好的氧化分解作用。此外，光催化氧化法具有反應設備簡單，無二次污染，催化材料易得，且有望使用太陽光作為反應光源等優點，故越來越受到人們的重視。筆者將對半導體光催化氧化技術的機理、光催化劑、光催化反應器及該項技術的進展進行綜述。
　　半導體材料之所以成為光催化劑是由其的能帶結構決定的。通常情況下，半導體粒子的能帶結構是由一個充滿電子的低能價帶和一個空的導帶構成的，它們之間由禁帶分開。當用能量等于或大于禁帶寬度(一般在3eV以下)的光照射半導體時，其價帶上的電子被激發，越過禁帶進入導帶，同時在價帶上產生相應的空穴。這種光生電子和空穴在向半導體粒子表面遷移的過程中，一方面，由于半導體粒子的能帶間缺少連續區域，從而使它們有較充足的時間與吸附在半導體催化劑表面上的物質發生氧化還原反應，或被表面晶格缺陷俘獲;另一方面它們在粒子內部或表面有直接復合的可能性，而載流子的復合幾率決定了光催化反應的量子效率，因此當復合占主導地位時，光催化反應的量子效率將會很低。

　　就水溶液中的光催化反應而言，光生電子的俘獲劑主要是吸附于TiO2表面的溶解氧，而光生空穴則既可以被H2O俘獲，也可以被吸附在半導體表面的物俘獲，也可使原本不吸收光的物質被直接氧化分解。
　　隨著晶粒粒徑的減小，分立能級增大，其吸收光的波長變短，光生電子比宏觀晶體具有更負的電位，相應的表現出的還原性;而光生空穴具有更正的電位，故表現出的氧化性，晶粒尺寸從30nm減小到10nm時，其光催化降解苯酚的活性提高了近45寫但粒徑減小也有其作用。晶粒尺寸的減小其吸收帶邊將會藍移對所用光源的光響應范圍將會變窄，從而使得單位時間內吸收的光子數量減少，并因此導致光催化效率的降低。
　　光催化劑表面應有的輕基基團，借助輕基基團實現光生空穴的捕獲，空穴一電子對的復合。表面的適光強度和數量的酸堿中心的匹配也會光催化過程;表面缺陷(尤其是氧空位形成的缺陷)的存在對光催化活陛也起著重要的作用，它可以增加催化劑表面活性輕基的反應活性從而提高反應速率，但有時缺陷也可能成為空穴與電子的復合中心;此外，在晶格缺陷等其他因素相同時，催化劑表面積越大，吸附量越大，活性就越高，但實際上，由于對催化劑的熱處理不充分，具有大表面積的。往往也存在的復合中心，當復合過程起主要作用時，就會出現活性降低的情況。
　　固定型光催化反應器是將TiO2等半導體材料涂覆在載體上，使污水流過經固定化的催化劑，并與之作用，以這種形式存在的TiO2不易流失，且這樣減少了催化劑分離步驟。但帶來的問題是催化劑接觸表面積相對較小，還存在易淤塞和難的問題，因而效率不高。
　　作為一種氧化工藝，半導體光催化氧化技術既有其優點—設備簡單、操作條件易于控制、氧化、無二次污染，也有其缺點—反應速率不高、對廢水處理效果不理想、反應機理中缺乏中間產物及活性物種的鑒定等。其優點使它在各種生物難降解廢水、綜合廢水的處理及生活用水的處理等方面有很廣闊的應用前景，其缺點卻使它到目前還沒有實現工業化。因此，關于半導體光催化氧化技術的研究，應從如下幾個方面來考慮。
　　1)提高反應效率。半導體載流子的復合率較高是導致光催化反應效率低下的主要原因，因此要提高光催化反應效率，首先要載流子的復合。此外，設計大型光催化反應器也是值得關注的一個研究方向。
　　2)利用太陽光。對催化劑進行改性，使其可利用的光譜范圍產生紅移，從而可直接利用太陽光，使該技術進入實用化時期。
　　3)進一步研究反應機理。目前對光催化反應機理的研究仍停留在設想與推測階段，因此今后的研究要著重于中間產物和活性組分的鑒定，從而揭示催化機理。
　　4)摸索較佳操作條件。其中包括體系溫度、酸堿度、添加劑用量與配比、光照強度等。
　　5)與其他處理方法聯合使用。要達到降解污染物的目的，僅靠光催化是不夠的，因此將光催化與其他處理方法聯合使用成為光催化發展的一個必然趨勢。