催化氧化技術(shù)

1、關(guān)于催化氧化技術(shù)第一張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月什么是光催化?概括說來，就是光觸媒在外界可見光的作用下發(fā)生催化作用。光催化一般是多種相態(tài)之間的催化反應(yīng)。光觸媒在光照條件（可以是不同波長的光照）下所起到催化作用的化學反應(yīng)，統(tǒng)稱為光反應(yīng)。第二張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光合作用也可以看作光催化第三張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第四張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光催化氧化反應(yīng)機理 光催化氧化反應(yīng)以半導體為催化劑，以光為能量，將有機物降解為CO2和水。反應(yīng)機理如下：下圖是半導體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，半導體能帶結(jié)構(gòu)與金屬不同的是價帶(VB)和導帶

2、(CB)之間存在一個禁帶。用作光催化劑的半導體一般具有較大的禁帶寬度，有時稱為寬帶隙半導體。 當光子能量高于半導體吸收閾值的光照射半導體時，半導體的價帶電子發(fā)生帶間躍遷，即從價帶躍遷到導帶，從而產(chǎn)生光生電子和空穴 第五張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月半導體光催化機理示意圖第六張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 具體來說（見下圖），在光照下，如果光子的能量大于半導體禁帶寬度，其價帶上的電子（e-）就會被激發(fā)到導帶上，同時在價帶上產(chǎn)生空穴（h+）。激發(fā)態(tài)的導帶電子和價帶空穴又能重新合并，并產(chǎn)生熱能或其他形式散發(fā)掉。當催化劑存在合適的俘獲劑、表面缺陷或者其他因素時，電子和空穴的復合

3、得到抑制，就會在催化劑表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。價帶空穴是良好的氧化劑，導帶電子是良好的還原劑，在半導體光催化反應(yīng)中，一般與表面吸附的H2O，O2反應(yīng)生成氧化性很活波的羥基自由基（OH）和超氧離子自由基（O2-）。能夠把各種有機物氧化直接氧化成CO2、H2O等無機小分子，而且因為他們的氧化能力強，使一般的氧化反應(yīng)一般不停留在中間步驟，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物。 第七張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月其中，光催化分解反應(yīng)機理如下：第八張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光催化的技術(shù)特征 （1）低溫深度反應(yīng)：光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機污染物完全氧化成無毒無害的物質(zhì)。而傳統(tǒng)的高溫焚燒

4、技術(shù)則需要在極高的溫度下才可將污染物摧毀，即使用常規(guī)的催化氧化方法亦需要幾百度的高溫。（2）凈化徹底：它直接將空氣中的有機污染物，完全氧化成無毒無害的物質(zhì)，不留任何二次污染，目前廣泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是將污染源轉(zhuǎn)移。（3）綠色能源：光催化可利用太陽光作為能源來活化光催化劑，驅(qū)動氧化還原反應(yīng)，而且光催化劑在反應(yīng)過程中并不消耗。從能源角度而言，這一特征使光催化技術(shù)更具魅力。第九張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）氧化性強：大量研究表明，半導體光催化具有氧化性強的特點，對臭氧難以氧化的某些有機物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以對難以降解的有機物具有特

5、別意義，光催化的有效氧化劑是羥基自由基（HO），HO的氧化性高于常見的臭氧、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸等。（5）廣譜性：光催化對從烴到羧酸的種類眾多有機物都有效，美國環(huán)保署公布的九大類114種污染物均被證實可通過光催化得到治理，即使對原子有機物如鹵代烴、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑也有很好的去除效果，一般經(jīng)過持續(xù)反應(yīng)可達到完全凈化。（6）壽命長：理論上，催化劑的壽命是無限長的。 第十張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光 觸 媒 光觸媒PHOTOCATALYSIS 是 光 Photo=Light + 觸媒(催化劑)catalyst 的合成詞。光觸媒是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以

6、促進化學反應(yīng)的物質(zhì)，光觸媒是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學反應(yīng)所需的能量，來產(chǎn)生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的 OH - 及 O 2 - 自由負離子。幾乎可分解所有對人體和環(huán)境有害的有機物質(zhì)及部分無機物質(zhì)，不僅能加速反應(yīng)，亦能運用自然界的定侓，不造成資源浪費與附加污染形成。第十一張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 光觸媒于1967年被當時還是東京大學研究生的藤島昭教授發(fā)現(xiàn)。 在一次試驗中對放入水中的氧化鈦單結(jié)晶進行了光線照射，結(jié)果 發(fā)現(xiàn)水被分解成了氧和氫。這一效果作為 “ 本多 藤島效果 ” （Honda-Fujishima Effect）而聞名于世，該名稱組合了藤

7、島教授 和當時他的指導教師-東京工藝大學校長本多健一的名字。 由于是借助光的力量促進氧化分解反應(yīng)，因此后來將這一現(xiàn)象中的氧化鈦稱作光觸媒。 這種現(xiàn)象相當于將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能。第十二張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月幾種常用的光觸媒TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等納米光觸媒：CdS,Fe2O3,TiO2,ZnO等TiO2的優(yōu)點： 催化活性高、化學性質(zhì)穩(wěn)定、成本低、無毒因此被廣泛應(yīng)用第十三張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光催化網(wǎng) 利用“電化學組裝-陽極氧化聯(lián)用技術(shù)”，在金屬載體上制備出高結(jié)合強度，高反應(yīng)效率的納米TiO2磁性膜光催化劑。用來

8、處理空氣中的甲醛、苯、氨等有害氣體 以及細菌等有害物質(zhì)的深層凈化技術(shù)，也可以廣泛應(yīng)用于受有機物污染的水體凈化。 第十四張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月TiO2光催化膜的表面形貌由圖看出，TiO2膜是由許多TiO2微小顆粒構(gòu)成的呈交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔-微晶立體膜。膜的真實比表面很大，對光的吸收十分有利。第十五張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光催化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域第十六張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光催化循環(huán)水處理系統(tǒng)第十八張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月萬利達車用空氣凈化器KJ-100 第十九張，PPT共三十四頁

9、，創(chuàng)作于2022年6月納米光催化空氣消毒反應(yīng)器納米光催化空氣消毒裝置加載特點： 1. 高度消毒 2. 高效清楚化學污染。 3. 獨特中央空調(diào)加載方式。 4. 消毒材料無需更換。 5. 為使用單位節(jié)約巨額能源消耗經(jīng)費。 6. 進行空氣消毒時，可以人機同在。在消毒過程中，存在兩個事實：第一， 該消毒過程為物理消毒，完全在反應(yīng)區(qū)內(nèi)完成，空氣經(jīng)消毒離開，不帶有任何對空氣造成其他再污染的物質(zhì)，屬于 “自靜”形式消毒；第二， 該過程中，納米TiO2沒有任何消耗，所以，不需要對消毒材料進行更換。 第二十張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光催化的研究1972年 日本Fujishima和 Honda在N

10、ature上報道在光輻射的TiO2 半導體電極和金屬電極組成的電池中，可持續(xù)發(fā)生水 的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生H2。1976年 J.H.Cary 發(fā)現(xiàn)TiO2在光照條件下可非選擇性氧化(降 解)各類有機物，并使之徹底礦化，生成CO2和H2O。80年代中期 我國學者開展半導體光催化的研究 在環(huán)保方面得到應(yīng)用烴類和多環(huán)芳烴、鹵代芳 烴、染料、表面活性劑、農(nóng)藥、油類、氰化物等第二十一張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月福建省光催化技術(shù)工程研究中心 是依托福州大學光催化研究所，跨物化、無機、材料、電子和環(huán)保等學科組建的開放式技術(shù)工程研究中心。中心集基礎(chǔ)創(chuàng)新研究、技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)、工程化研究、科技成果轉(zhuǎn)化、

11、產(chǎn)業(yè)化實施和人才培養(yǎng)于一體。中心位于建筑面積達28000平方米的福州大學內(nèi)，擁有完善的研究設(shè)施和產(chǎn)業(yè)化中試基地，其實驗室及附屬的光催化產(chǎn)品中試車間擁有價值近1700萬元的科研儀器和設(shè)備。近年來，在光催化基礎(chǔ)理論、應(yīng)用研究、產(chǎn)業(yè)化實施和人才培養(yǎng)等方面，取得了豐碩成果，是我國目前光催化領(lǐng)域中規(guī)模最大、科研實驗條件最好、在國內(nèi)外光催化領(lǐng)域具有重要影響的研究機構(gòu)。第二十二張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月可見光光催化降解有毒有機污染物研究獲重要進展在國家自然科學基金委，科技部及中科院的支持下，化學所光化學院重點實驗室趙進才研究員課題組與有機固體院重點實驗室?guī)浿緞傃芯繂T合作，在可見光光催化降解有

12、毒有機污染物方面取得重要進展。研究成果發(fā)表在最近一期的J.Am.Chem.Soc.(2004，126，4782)上。第二十三張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 有毒難降解有機污染物毒性大，在自然界中存在時間長，用現(xiàn)有環(huán)境技術(shù)很難處理。利用TiO2光催化降解有毒有機污染物是目前國際上十分關(guān)注的研究領(lǐng)域，但TiO2只能吸收波長小于387nm的紫外光，在可見光照射下沒有光催化活性。因太陽光中只有不足4%的光能為紫外光，而人造紫外光源又有耗電大，設(shè)備昂貴，穩(wěn)定性差等缺陷，因此研制新的光催化劑使得它能夠吸收太陽光中的可見光，利用空氣中的氧作為氧化劑，有效地降解有毒有機污染物成為光催化領(lǐng)域關(guān)鍵的科

13、學難題。第二十四張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 該研究組成功地利用簡單的溶膠-凝膠(Sol-Gel)方法研制出新型可見光光催化劑Ni2O3/TiO2-xBx。用非金屬元素B置換TiO2晶格中的部分氧，可以有效地將TiO2的吸收光譜擴展到可見光區(qū)域，同時用過渡金屬氧化物Ni2O3對TiO2表面改性，可以極大地提高可見光光催化活性。非金屬元素B或Ni2O3單一組分改性的光催化劑都沒有可見光光催化活性，而二元協(xié)同改性，同時實現(xiàn)了擴展光催化劑吸收波長到可見光區(qū)域和抑制空穴/電子對復合的雙重目的。用該光催化劑在可見光(波長大于420nm)照射下，以空氣中氧分子為氧化劑，可將有毒有機污染物2,

14、4,6-三氯苯酚，2,4-二氯苯酚等有效地降解為二氧化碳、水和氯離子。第二十五張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 他們還利用量化計算對光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)進行了分析，結(jié)果顯示計算結(jié)果與實驗結(jié)果很好地符合。電子自旋共振(ESR)實驗證實了可見光光催化過程中高反應(yīng)活性的羥基自由基(OH)的生成。該結(jié)果為證實可見光直接激發(fā)光催化劑誘導電荷有效分離，以及闡明可見光光催化機理提供了有力證據(jù)。本研究為研制新型可見光光催化劑提供了一種新的重要技術(shù)途徑。 第二十六張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月光解水用光催化材料研究進展 氫能，是一種最理想的無污染的綠色能源。由于氫大量地存在于水中，電解法可從

15、水中獲得氫氣，但電解成本高，而方便廉價的氫氣制備成為各國學者的愿望。1972年，日本本多健一等人利用二氧化鈦（TiO2）半導體作電極，制成太陽能光電化學電池，揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性。隨著由電極電解水演變?yōu)槎嘞啻呋纸馑约癟iO2以外的光催化劑的相繼發(fā)現(xiàn)，日本、歐美等國興起了以光催化方法分解水制氫(簡稱光解水)的研究，并在光催化劑的制備、改性以及光催化理論等方面取得較大進展。 第二十七張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 我國在光解水相關(guān)研究方面也有特色。研究表明，Ti02為可用于光解水較適宜的電極材料，但其禁帶寬度為3.2eV，只能吸收太陽光中的紫外光和近紫外光，光電轉(zhuǎn)

16、換率僅有0.4%左右。而禁帶寬度在1.8eV左右的半導體作電極，可最大限度地吸收太陽光，提高制氫轉(zhuǎn)換效率，但這類電極容易產(chǎn)生陽極溶解，發(fā)生光腐蝕。我國的科研人員采用在反應(yīng)體系中加入電子接受體、在Ti02表面擔載貴金屬、制備二元及多元復合催化劑、摻雜稀土元素、光敏化，以及采用新型的制備方法提高光催化劑的催化活性，先后開發(fā)了SrTi03、K4Nb6O17、BaTi409、K3Ta3Si2O13以及具有層間復合結(jié)構(gòu)的CdS/KTiNbO5、CdSK2Ti39Nb0.1O9/Pt等多種催化劑，取得了很大進展，紫外光照射純水的活性已由最初的幾molgoh催化劑增大到幾百molgoh 第二十八張，PPT共

17、三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月東北大學承擔了國家自然科學基金項目“光解水用摻雜稀土新型TiO2半導體電極的研究”，采用溶膠凝膠法、氣相沉積法等在電極中添加不同稀土及其它金屬氧化物，利用稀土的催化活性及擴展材料吸光范圍等特性，制成了TiO2-RE2O3、CdS-Ti02及CdS-W03-Ti02等電極，提高了電極的光電化學性能、耐蝕性、能量轉(zhuǎn)換效率及使用壽命，取得了較好的效果。盡管光解水制氫技術(shù)距離工業(yè)化還有一定差距，但這些科研成果給實現(xiàn)這一目標帶來希望?？茖W家希望能找到新的突破口，研制和開發(fā)出具有高效率的光解水催化劑，使這一“太陽氫”工程真正能服務(wù)于人類。 第二十九張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于

18、2022年6月第三十張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月存在問題:光催化氧化技術(shù)在降解水中石油類污染物等有機污染物中有著突出的優(yōu)點，特別是用其他技術(shù)難以對其進行降解時，有著更明顯的優(yōu)勢。在諸如水分解制氫等其他領(lǐng)域，同樣有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，該技術(shù)在各個領(lǐng)域的實際應(yīng)用中還存在著問題：第三十一張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月目前采用的液相系處理方式雖然光解效率高，但是催化劑往往由于其顆粒太小，易失去活性，穩(wěn)定性也差并造成光催化劑分離回收困難。如納米TiO2這樣微顆粒催化劑固定化成膜后，雖然大大擴寬了這種光催化劑的應(yīng)用范圍，能夠在同一反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)吸附、催化、分離等有機結(jié)合，但是其光解效率有所下降，催化活性沒有懸浮相系處理方式的高，而且其強度和耐沖擊性也不夠，這就需要進一步探索多相光催化反應(yīng)的機理，設(shè)計出合理有效的反應(yīng)裝置。在光催化反應(yīng)過程中，影響反應(yīng)進程的因素關(guān)系復雜，各種影響因素都有待于進一步的實驗驗證。反應(yīng)動力各種因素的對光催化氧化降解過程影響的研究，會起到很大的推動作用。第三十二張，PPT共三十四