工艺技术科普：关于光催化氧化相关的那些事

查看全部 · 发表于 2021-7-6 12:07:23

光催化氧化的分类

根据不同的反应体系，光催化氧化可以分为均相和非均相光催化氧化。

均相光催化氧化以Fe2+（二价铁离子）或Fe3+（三价铁离子），以及H2O2（双氧水）为介质，通过光-Fenton（芬顿）反应，产生反应活性极高的OH·（羟基）等自由基来氧化分解污染物。

非均相光催化氧化则是采用TiO2（二氧化钛）、ZnO（氧化锌）等半导体催化剂，在光照条件下产生OH·（羟基）等自由基来氧化分解污染物。

除了产生条件不同之外，这两种催化氧化均涉及到羟基自由基的形成和氧化作用，这两种反应均属于高级氧化。

涉及到羟基自由基的氧化过程就称为高级氧化（Advanced Oxidation Process，简称AOP）。广泛的来说，某些羟基自由基可能起重要作用，但反应机理不明确的新型氧化过程，也是属于高级氧化。

高级氧化中，羟基自由基的氧化还原电势为2.8V，仅次于氟，所以几乎能氧化所有的有机物。羟基自由基还会激发一系列的氧化反应，使有机污染物分解的更加彻底。

均相光催化氧化中主要还是芬顿原理，就不过多的赘述了。下面的内容，我们就以非均相光催化氧化为例来进行介绍。

非均相光催化氧化原理

非均相光催化氧化过程中，需要用到半导体。半导体在能带结构上具有价带和导带，两者之间还存在一个禁带。我们先看一下半导体催化剂在光照下的反应：
环保之家0.JPG

当半导体受到太阳光的照射时，半导体吸收一个能量大于禁带的光子，就会把位于价带的电子激发到导带，价带的电子跃迁后就会留下一个空穴，空穴则会与吸附在半导体催化剂表面的OH-反应生成羟基自由基。达到导带的电子也会与水中的氧气发生吸附反应，生成氧负离子的自由基。
这些自由基和空穴共同作用，对水中的有机物进行氧化，使其变为无害的无机物。

非均相光催化氧化光源

下面是几种光催化剂的禁带宽度：

环保之家1.JPG

通常使用TiO2（二氧化钛）作为归催化氧化的催化剂，其禁带宽带一般为3.2eV。

自然光一般分为红外光、可见光和紫外光，其中紫外光根据波长不同分为4个波段，从100~420nm。

当采用TiO2（二氧化钛）作为半导体催化剂时，只有当光的波长＜387nm时，才会产生足够的能量使二氧化钛的价带电子发生跃迁，所以光催化氧化中，通常采用二氧化钛+紫外光光源的组合，来激发产生羟基自由基。

光催化氧化的特点

具有很强的氧化能力；
反应条件温和；
适用于高、低浓度废水处理；
可以利用太阳光中的紫外光；
以上特点使得光催化氧化在处理难降解有毒有机物的方面具有很大的潜力。

光催化氧化领域还有许多课题需要进一步的研究，比如，如何解决产生的电子与空穴复合的问题，提高光催化氧化的处理效率；如何解决催化剂中毒的问题；如何开发可见光催化剂，提高能源利用率等等问题。