（环境科学专业论文）新型铋系层状氧化物的设计及其模拟太阳光光催化行为研究.pdf

0 、 i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取 得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已 经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全 文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库 ( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信 息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：耄丘墓鲰 日 期：旦：址 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 童墅 日期：即，p f 纠 电话： 邮编： ， t ， - 一j ， l 摘要 光催化氧化技术是近几十年发展起来且有望成为2 1 世纪环境污染控制与治理的理 想技术。作为环境净化技术，光催化过程是通过化学氧化的方法，把有机污染物矿化分 解为水、二氧化碳和无毒害的无机酸。光催化剂有可能直接利用太阳光作为激发光源来 驱动氧化还原反应，从能源利用角度来讲，这一特征使光催化技术更具有开发潜力。 t i 0 2 光催化剂由于受到自身电子结构的局限性，难以有效利用太阳光。因此，本论文致 力于设计新型非t i 0 2 基高效光催化剂，采用水热技术合成出一系列铋系层状氧化物， 并对其进行表征；系统研究了不同合成条件对光催化材料晶型结构与表面形貌的影响， 考察了该系列复合光催化剂在模拟太阳光辐射下的光催化性能及其对污染物的降解机 理，具体研究内容如下： l 、形貌控制合成b i v 0 4 及其光催化性能研究 采用水热方法，无需添加任何模板和表面活性剂，通过控制水热时间、反应体系的 酸度和初始反应物物质的量的比等条件，可控合成了不同晶型( 四方白钨矿、四方锆石 矿和单斜白钨矿) 和形貌( 片状、树枝状和花状) 的b i v 0 4 。采用删线粉末衍射仪、 扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱仪、紫外一可见漫反射光谱仪和酬线 光电子能谱仪对b i v 0 4 的晶相结构、形貌以及光吸收性质等进行了表征；通过对染料罗 丹明b ( 1 迅) 和亚甲基兰( m b ) 在紫外及可见光下的降解评价其光催化活性。研究结 果表明，在所有被测的样品中，与具有四方白钨矿和四方锆石矿结构的b i v 0 4 相比，几 种不同形貌单斜白钨矿结构的b i v 0 4 在降解r b 和m b 时，均表现出较高的紫外及可见 光光催化活性，证明了晶相结构是影响b i v 0 4 光催化活性的主要因素；此外，这几种不 同形貌的b i v 0 4 样品在紫外光( 九 2 5 4n m ) 下的催化活性相差不大，但在可见光( 九 4 2 0n m ) 照射下催化活性各不相同，其中，具有花状形貌的b i v 0 4 催化活性最高，说明 形貌也是影响光催化活性的重要因素。 2 、b i 5 n b 3 0 1 5 的制备及其光催化性能研究 采用较为温和的水热方法，合成了以传统的高温固相法很难得到的亚稳相 b i 5 n b 3 0 1 5 0 通过煳于线衍射仪、透射电镜、扫描电子显微镜、紫外一可见漫反射光谱和 煳寸线光电子能谱对产物进行表征，系统研究了水热时间，反应体系的酸度和初始反应 物物质的量的比等制备条件的变化对产物组成、晶相结构以及粒子尺寸和光吸收性质的 影响。研究结果表明，在p h 为9 、n b i ：n n b = 1 ：0 7 和保持2 0 0o c 水热反应2 4h 后，可 以得到粒子尺寸在1 0 0n l n 左右及晶型较为完美的b i 5 n b 3 0 1 5 在模拟太阳光( 九 3 2 0n m ) 照射下降解染料甲基橙，2h 后降解基本完全；为了进一步证明b i 5 n b 3 0 1 5 是自身具有优 异的可见光催化活性，而非来自染料的光敏化作用，本文考察了b i 5 n b 3 0 1 5 对在可见区 无吸收的除草剂2 ，4 - d 的降解行为，结果表明，光照3 0m i l l 后降解率即可达到9 0 。 3 、a g 掺杂b i 5 n b 3 0 1 5 的制备及其光催化性能研究 采用光沉积法成功制备了高分散的及不m a g 担载量( 1 - - , 2 0 ) 的a g b i s n b 3 0 i 5 ，研 究了其对水溶液中溴代阻燃剂四溴双酚- a ( t b b p a ) 的降解行为，考察了辐射光源的 波长和反应体系的p h 值对a g b i 5 n b 3 0 1 5 光催化降解t b b p a 的影响，并与纯b i s n b 3 0 1 5 及 商用t i 0 2 ( d e g u s s ap 2 5 ) 作了比较。研究结果表明，反应体系为中性、a g 的担载量为 1 0 时，催化剂在模拟太阳光( 九 3 2 0r i m ) 辐射下光催化活性较高，尤其在九 4 2 0 n l t l 时仍具有明显高于b i 5 n b 3 0 1 5 和d e g u s s ap 2 5 在此波长下的活性。这种优异的光催化活性 一方面归结为b i 5 n b 3 0 1 5 自身的层状结构，由于受到中f n - j 县 b i 2 0 2 2 + 正电荷的强烈吸引， 使得钙钛矿结构中的n b 0 6 八面体结构发生畸变，这种特殊的层状结构能够有效抑制电子 与空穴的复合，从而提高光催化效率：另一方面，光沉积法可使a g 均匀沉积在b i s n b 3 0 1 5 的表面和层间，不易发生团聚；均匀沉积的a g 具有强捕获电子能力和表面等离子体共振， ( s p r ) 效应，可提高其光催化活性。此外，对a g b i 5 n b 3 0 1 5 的循环使用进行了研究， 通过a g 的再次光沉积处理，使催化剂在四次循环使用后对t b b p a 的降解率仍然可以达 到8 0 以上。通过对t b b p a 降解过程中检测到的中间产物进行分析，提出了其可能的降 解机理，为t b b p a 在环境中的转化和归趋研究提供了科学依据。 燃剂； 关键词：光催化；层状氧化物；钒酸铋；b i 5 n b 3 0 1 5 ；银；染料；除草剂；溴代阻 月 ，- l 0 a b s t r a c t p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e di nr e c e n td e c a d e s ，a n di ti se x p e c t e dt o b e c o m et h ei d e a lo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc o n t r o la n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi nt h e 21s t c e n t u r y a s a ne n v i r o n m e n t a l p u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , p h o t o c a t a l y t i cp r o c e s s i st h e m i n e r a l i z a t i o no fo r g a n i cp o l l u t a n t sb yc h e m i c a lo x i d a t i o nt e c h n i q u e s ，w h i c hi sd e c o m p o s e d i n t ow a t e r , c a r b o nd i o x i d ea n dn o n - t o x i ci n o r g a n i ca c i d t h es u n l i g h tc a nb eu s e db y p h o t o c a t a l y s tt od r i v et h eo x i d a t i o n r e d u c t i o nr e a c t i o na st h ee x c i t a t i o ns o u r c e t h ef e a t u r e m a k e sp h o t o c a t a l y t i ct e c h n o l o g yb em o r ep o t e n t i a lv a l u et oa p p l yi ne n e r g y d u et ot h e l i m i t a t i o no fi t se l e c t r o n i cs t r u c t u r e ，t i 0 2p h o t o c a t a l y s ti sd i f f i c u l tt ou s es u n l i g h te f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，w ef o c u so nd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fn e wa n de f f i c i e n tn o n - t i 0 2 - b a s e d p h o t o c a t a l y s t 、j ，i mv i s i b l e - r e s p o n s eb yh y d r o t h e r r n a lt e c h n i q u e as e r i e so fb i - b a s e do x i d e s w i ml a y e r e ds t r u c t u r ea r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d w ei n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np r e p a r e dc o n d i t i o n sa n dt h ec r y s t a lp h a s ea n dm o r p h o l o g yo fp r o d u c t s ，e x a m i n et h e p h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y u n d e rt h ev i s i b l e l i g h ti r r a d i a t i o n , a n de x p l a i nt h ed e g r a d a t i o n m e c h a n i s m 1 c o n t r o l l a b l ef a b r i c a t i o no fb i s m u t hv a n a d a t e sa n dt h e i rp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y b i s m u t hv a n a d a t e s ( b i v 0 4 ) 晰t l lv a r i o u s c r y s t a ls t r u c t u r e s ( t e t r a g o n a ls c h e e l i t e ， t e t r a g o n a lz i r c o na n dm o n o c l i n i cs c h e e l i t e ) a n dm o r p h o l o g i e s ( s h e e t - l i k e ，d e n d r i t i c - l i k ea n d f l o w e r - l i k e ) w e r ec o n t r o l l a b l yf a b r i c a t e db yu s i n gam i l da d d i t i v e - f r e eh y d r o t h e r m a lt r e a t m e n t p r o c e s sb yc o n t r o l l i n gt h eh y d r o t h e r m a lt i m e ，p hv a l u ea n dm o l a rr a t i oo fb it ov i nt h e s t a r t i n gm a t e r i a l s t h ec r y s t a ls t r u c t u r e s ，m o r p h o l o g i e s ，a n dp h o t o p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h e p r o d u c t sw e r ew e l l - c h a r a c t e r i z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，f i e l de m i s s i o ns c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( f e s e m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ，r a m a ns c a t t e r i n g s p e c t r a ( r a m a n ) ，u v 二sd i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r a ( u v - v i s d r s ) a n dx r a yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( x p s ) s u b s e q u e n t l y , t h e i r u v - a sw e l la s v i s i b l e l i g h tp h o t o c a t a l y t i c p e r f o r m a n c e sw a se v a l u a t e dv i ad y e sr h o d a m i n eb( r b ) a n dm e t h y l e n eb l u e ( m b ) d e g r a d a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t l lt e t r a g o n a ls c h e e l i t ea n dt e t r a g o n a lz i r c o n b i v 0 4 ，m o n o c l i n i cs c h e e l i t eb i v 0 4h a st h eh i g h e s tu v - a sw e l la sv i s i b l e l i g h tp h o t o c a t a l y t i c a c t i v i t yt o w a r dd y e sr ba n dm bd e g r a d a t i o na m o n ga l lt e s t e db i v 0 4p o w d e r s ，c o n f i r m i n g t h a tt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo ft h eb i v 0 4p r e d o m i n a n t l ya f f e c t si t s p h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y i n a d d i t i o n , s e v e r a lm o n o c l i n i cs c h e e l i t eb i v 0 4p r o d u c t s 、i t l ld i f f e r e n tm o r p h o l o g i e se x h i b i t s i m i l a rp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t i e su n d e ru vl i g h ti r r a d i a t i o n ( 九 2 5 4n m ) h o w e v e r , t h e p h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t i e so ft h e mu n d e rv i s i b l el i g h ti r r a d i a t i o n ( 九 4 2 0n m ) a r ed i f f e r e n t i i i m o n o c l i n i cs c h e e l i t eb i v 0 4 、加廿1af l o w e r - l i k em o r p h o l o g ys h o w st h eh i g h e s tu v - a sw e l la s v i s i b l e - l i g h tp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t yt o w a r dd y e sr ba n dm bd e g r a d a t i o n , c o r n f i r m i n gt h e m o r p h o l o g ya l s op l a ya ni m p o r t a n tr o l et oi t sp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y 2 p r e p a r a t i o no fb i s n b 3 0 15a n dt h e i rp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y w es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z eo r t h o r h o m b i cb i s n b 3 0 l5b yt h em i l dh y d r o t h e r m a lm e t h o da t t h ef i r s tt i m e ，w h i c hi sd i f f i c u l tt oo b t a i nb yt h et r a d i t i o n a lh i 【g ht e m p e r a t u r es o l i ds t a t e r e a c t i o n t h ep r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r d ，f e s e m ，t e m ，u v - v i s d r sa n dx p s t h ec r y s t a ls t r u c t u r e ，p a r t i c l es i z ea n do p t i c a la b s o r p t i o np r o p e r t i e so fb i s n b 3 0 l si n f l u e n c e d b yh y d r o t h e r m a lt i m e ，p hv a l u e ，a n dm o l a rr a t i oo fi n i t i a lm a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tb i s n b 3 0 l s 诵mp e r f e c tc r y s t a ls t r u c t u r ew a so b t a i n e da tp h = 9 ，n b i ：n n b2 1 ：0 7a n dh y d r o t h e r m a lt r e a t m e n ta t2 0 0o cf o r2 4h h i g hc r y s t a u i n i t ya n dl i t t l ep a r t i c l es i z e a r ef a v o r a b l et oi m p r o v ep h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y d y e sm e t h y lo r a n g e ( m o ) a r et o t a l l y d e c o m p o s e da f t e2hi r r a d i a t i o nu n d e rs i m u l a t e ds u n l i g h t 执 3 2 0n m ) t of u r t h e rp r o v e b i 5 n b 3 01 5i se x c e l l e n tv i s i b l el i g h tp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y , r a t h e rt h a nf r o mt h ep h o t o s e n s i t i v e d y e ，t h eh e r b i c i d e2 , 4 d i c h l o r o p h e n o x y a c e t i ca c i d ( 2 ，4 一d ) ，w h i c hh a sn oa b s o r p t i o ni nv i s i b l e r a n g e ，i ss e l e c t e da sm o d e lc o n t a m i n a n t t h ed e g r a d a t i o nr a t ec a nr e a c h9 0 a f t e3 0m i n i r r a d i a t i o n 3 p r e p a r a t i o no f a g b i s n b 3 0 l sa n dt h e i rp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y a g b i s n b 3 0 1 5 、杭t l l d i f f e r e n t l o a d i n g ( 1 - 2 0 ) w a ss u c c e s s f u l l yp r e p a r e d b y p h o t o d e p o s i t i o nm e t h o d t h ev i s i b l e l i g h tp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y i se x a m i n e db yt h e d e g r a d a t i o no ft e t r a b r o m o b i s p h e n o l a ( t b b p a ) a td i f f e r e n tr a n g eo fw a v e l e n g t h sa n dp h v a l u e s ，a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e d 谢md e g u s s ap 2 5 t h ea p p r o p r i a t er e a c t i o ns y s t e mi s n e u r a l t h eb e s tl o a d i n go fa gi s10 a g b i s n b 3 0 l s ( 10 ) e x h i b i t sh i g h e rp h o t o c a t a l y t i c a c t i v i t yu n d e rs i m u l a t e ds u n l i g h ti r r a d i a t i o n ( 九 3 2 0n m ) e s p e c i a l l y 九 4 2 0n l n ，t h ea c t i v i t y o fa g b i s n b 3 0 1 5 ( 1o ) i ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nb i s n b 3 0 1 5a n dd e g u s s ap 2 5 o nt h eo n e h a n d , t h i se n h a n c e dp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t yc a nm a i n l ya t t r i b u t et ot h el a y e r e ds t r u c t u r eo f b i s n b 3 0 15 t h e b i 2 0 2 2 + l a y e ri nm i d d l eh a sp o s i t i v ec h a r g e ，w h i c hc a ns t r o n g l ya t t r a c t e d n b 0 6o c t a h e d r o n t h ed i s t o r t i o no fn b 0 6o e t a h e d r a ls t r u c t u r ei nl a y e r e ds t r u c t u r ec a i l e f f e c t i v e l ys u p p r e s st h er e c o m b i n a t i o no fe l e c t r o n i c sa n dh o l e s ，a n di m p r o v ep h o t o c a t a l y t i c e f f i c i e n c y o nt h eo t h e rh a n d , c o m p a r e d 、访t l lo t h e rm e t h o d so fd o p i n gn o b l em e t a l ，t h ea g a t o m sc a nb ew e l l p r o p o r t i o n e do nt h ec a t a l y s ts u r f a c ea n dl a y e r , a n da v o i da g g r e g a t e i ti s f a v o r a b l et oe n h a n c ep h o t o e a t a l y t i ca c t i v i t y t h en o b l em e t a la gh a ss t r o n ga b i l i t yt oc a p t u r e e l e c t r o n i ca n ds u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) ，w h i c hc a ni m p r o v et h ev i s i b l e - l i g h t p h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t y i na d d i t i o n , t h em e t h o do fc a t a l y s tr e c y c l i n gi sa l s os t u d i e d b a s e do n t h ed e t e c t i o no fi n t e r m e d i a t ep r o d u c t s ，w ed e d u c et h ed e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo ft b b p a i ti s i v s i g n i f i c a n tt os t u d yt h et r a n s f o r m a t i o no ft b b p a i nt h ee n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：p h o t o c a t a l y s i s ；l a y e r e d s t r u c t u r eo x i d e ；b i s m u t hv a n a d a t e ；b i s n b 3 0 1 5 ； s i l v e r ；d y e s ；h e r b i c i d e ；b r o m i n a t e df l a m er e t a r d a n t s v ，一 一 户 气 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目j j 乏1 矿 第一章引言l 1 1 光催化化学1 1 2 光催化反应的应用2 1 2 1 光催化处理水中有机污染物2 1 2 2 光催化处理大气中有机污染物4 1 2 3 光催化分解水制氢5 1 2 4 光催化处理无机污染物6 1 3 半导体光催化反应基本原理。6 1 4 影响光催化反应性能的因素7 1 4 1 催化剂晶体生长的影响7 1 4 2 外加场效应的影响。1 0 1 4 3 反应体系条件的影响1 l 1 5 非t i 0 2 基可见光催化活性的半导体光催化材料研究进展1 2 1 5 1a b 0 4 型氧化物光催化剂1 3 1 5 2 钙钛矿结构( a b 0 3 ) 氧化物光催化剂1 3 1 5 3 尖晶石结构氧化物光催化剂。1 5 1 5 4 烧绿石结构氧化物光催化剂。1 6 1 5 5 贵金属负载复合氧化物光催化剂l7 1 5 6 新型复合光催化剂的制备方法1 8 1 6 实现可见光催化需要解决的问题2 0 1 7 论文选题目的及意义2 0 第二章形貌控制合成钒酸铋及其光催化性能研究2 3 2 1 前言2 3 2 2 实验部分2 4 2 2 1 试剂与仪器。2 4 2 2 2b i v 0 4 的制备2 4 2 2 3 光催化反应装置2 5 2 2 4 光催化过程及其监测。2 6 v 2 3 结果与讨论2 7 2 3 1b i v 0 4 的表征2 7 2 3 1 1 己d 分析2 7 2 3 1 2f e s e m 和t e m 分析。2 9 2 3 1 3r r m 出 1 分析3 2 2 3 1 4x p s 分析3 3 2 3 1 5i - v i s d r s 分析3 4 2 3 2 光催化性能研究3 5 2 3 2 1 光催化降解染料r b 和m b 。3 5 2 3 2 2 讨论3 8 2 4 小结3 8 第三章b i 5 n b 3 0 1 5 的设计制备及其光催化性能研究3 9 3 1 前言。3 9 3 2 实验部分4 1 3 2 1 试剂与仪器4 l 3 2 2b i s n b 3 0 1 5 的制备4 1 3 2 3 光催化反应装置4 2 3 2 4 光催化过程及检测4 2 3 3 结果与讨论4 4 3 3 1b i 5 n b 3 0 1 5 的表征4 4 3 3 1 1x r d 分析。4 4 3 3 1 2f e s e m 和t e m 分析4 6 3 3 1 3x p s 分析4 7 3 3 1 4u v - v i s d r s 分析。4 9 3 3 2 光催化性能研究5 0 3 3 2 1 模拟太阳光光催化降解染料m o 5 0 3 3 2 2 模拟太阳光光催化降解2 ，4 _ d 。5 l 3 3 2 3 讨论5 2 3 4 小结5 3 第四章a g b i s n b 3 0 1 5 的设计制备及其光催化行为研究。5 4 4 1 前言。5 4 4 2 实验部分5 5 4 2 1 试剂与仪器5 5 4 2 2a g b i 5 n b 3 0 1 5 的制备5 6 4 2 3 光催化反应装置5 6 4 2 4 光催化过程及检测5 7 4 3 结果与讨论5 7 4 3 1a g b i s n b 3 0 1 5 的表征5 7 4 3 1 1f e s e m 分析5 7 4 3 1 2 t d 分析5 8 4 3 1 3 s 分析。5 9 4 3 1 4i v i s d r s 分析6 1 4 3 1 5 氮气吸附一脱附。6 l 4 3 2 光催化性能研究6 2 4 3 2 1 模拟太阳光( 九 3 2 0r i m ) 光催化降解t b b p a 研究6 2 4 3 2 2 可见光( 九 4 0 0 或4 2 0r i m ) 光催化降解t b b p a 研究。“ 4 3 2 3 讨论6 6 4 3 2 4 反应体系p h 值对光催化活性的影响6 6 4 3 2 5 催化剂的循环再生：一6 7 4 4 光催化降解t b b p a 机理研究。6 9 4 5 小结。7 0 结论7 ：! 参考文献7 4 后记8 9 在学期间公开发表论文及著作情况9 0 v h 东北师范大学博士学位论文 第一章引言 光化学反应，是指在光作用下分子、原子、自由基或离子吸收光子而发生的化学反 应，光化学过程是地球上最普遍、最重要的过程之一。根据所需活化能的来源不同，可 以将反应分成两类：热化学反应和光化学反应；热化学反应所需的活化能，来自反应物 分子的热碰撞，因此反应的速率受温度影响很大；而光化学反应所需的活化能来源于辐 射的光子能量，其反应的速率受温度影响很小，有的甚至与温度无关。光子( p h o t o n ) 携带的巨大能量是光化学反应的能量基础，与热能相比较光能远大于热能。所以，可以 设想，如果把光能用于化学反应，那么用热能根本无法实现的化学反应，就能很容易的 变成现实【l j 。 光化学降解治理污染物包括无催化剂和有催化剂的光化学降解。无催化剂的光化学 降解是指采用臭氧和过氧化氢等作为氧化剂，在紫外光的照射下氧化分解污染物；有催 化剂的光化学降解又被称为光催化降解。光催化反应是利用光能进行物质转化的一种方 式，是光和物质之间相互作用的多种方式之一，是物质在光和催化剂同时作用下所进行 的化学反应。光催化是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学、和环境科学等多 学科交叉的新兴研究领域。 1 1 光催化化学 1 9 7 2 年，a f i j i s h i m a c - 和k h o n d a t 2 】首次报道了在以t i 0 2 为光阳极的光电化学电池中， 用紫外光照射光阳极可使水分解为h 2 和0 2 ，这一重要发现，开启了多相催化研究的新纪 元。3 0 多年来，在物理、化学以及化工等领域内进行了大量研究工作。最近以来，多相 光催化在环保领域内，在净化气相和水中的有机污染物方面获得了广泛的应用，已成为 多相光催化另一个重要的应用领域。最初的光催化反应是指光照射引发的催化反应，而 这里的光催化剂( p h o t o c a t a l y s t ) 实际上是光化学增感剂( p h o t o s e n s i t i z e r ) ，如半导体型 金属氧化物( t i 0 2 、z n o 、z r 0 2 、w 0 3 和c d o ) 和硫化物( c d s ) 。 在光的照射下，通过把光能转化为化学能，促进化合物的合成或使化合物( 有机物， 无机物) 降解的过程称之为光催化。纳米半导体因其独特的光催化性质而成为光催化反 应中使用最为广泛的催化剂。与传统处理污水的方法相比，光催化反应具有如下优点： ( 1 ) 能达到有害物质的完全分解，不会产生二次污染； ( 2 ) 可以在常温下操作，减少了操作困难； ( 3 ) 不需要大量消耗除光以外的其他物质，能降低能耗和原材料的消耗； ( 4 ) 能达到除毒、脱色和去臭的目的； 东北师范大学博士学位论文 ( 5 ) 具有廉价，无毒，稳定，可重复利用的特点。 1 2 光催化反应的应用 1 2 1 光催化处理水中有机污染物 随着经济的发展和人口的膨胀，水中难分解有机污染物急剧增加，人类本已有限的 水资源受到严重污染，已发展到威胁人类生存的地步，这些污染物的处理已成为全球性 的重要课题。光催化以其强劲的氧化能力可以分解破坏许多有机物。至目前为止，详细 研究过的已达1 0 0 余种以上，其中很大部分是环保上十分关注的物质。有害气体及污水 中的农药、染料、表面活性剂等均可用光催化技术有效处理，进行消毒、脱色、除臭等， 在污染治理方面应用潜力巨大。 近年来，由于纺织、皮革、涂料、印染等工业的迅速发展，染料的品种和数量日益 增加，在全球范围内每年约生产7 0 万吨各