综述模板论文范文

综述模板论文范文综述模板论文范文 淮北师范大学信息学院xx届学士学位论文多相光催化的研究现状及 环境应用系别 化学系专业 应用化学学号 姓名 指导教师 张茂林指 导教师职称 教授xx年5月11日目次1引言 12多相光催化作用原理 13多相光催化氧化的特性和研究现状 23 1多相光催化氧化的特性 23 2催 化剂的筛选 23 3TiO2光催化 剂的制备及研究 23 4光催化剂催化活性提 高 34光催化氧化在环境中的应用 34 1有机污染物的处理 34 2无机污染物处理 44 3光催化氧化法在废水处理中的应用 44 4大 气的净化 45结束语 4参考文献 5致谢 5多相光催化的研究现状及环境应用摘要多相光催 化技术是光化学领域和环保领域中的研究热点之一 本文介绍了半导体多相光催化氧化的机理 概述了多相光催化氧化 过程具有使用范围广 可使污染物彻底破坏 适用于低浓度污染物 治理等特性 介绍了国内外研究的现状和发展 并对有代表性的光催化剂进行了 简单介绍 综述了近年来有关贵金属沉积 金属离子掺杂 复合半导体 半导 体的表面光敏化等改性手段对光催化活性的影响 并对其原理进行 解释和说明 本文对多相光催化在环境治理中的应用结果进行了总结 包括对各 种有机污染物氧化和各种无机污染物治理 并对光催化氧化技术今 后研究方向和工作重点提出了一些设想 关键词多催化氧化 光催化剂 环境应用 TiO2Present researchstatus and environmental applicationof heterogeneous photocatalysis technologyAbstract Theheterogeneous photocatalysishas beeone of the popularresearch subjectsin thefields ofphotochemistry andenvironmental protection This paperdescribes themechanism present researchstatus research progressoftheheterogeneousphotocatalysis and itsapplication inactual environmentalfield Presentative photocatalystsare introducedand itare summarizedthat thepresent modificationmethods onthe photocatalystssuch asrare metaldeposition metal iondoping surface sensitization posite semiconductors which principlesare alsoexplained anddescribed Photocatalysis hasbeen anarea ofrapidly growinginterest overthe lastdecades forits potentialapplication insolving environmentalproblems In thispaper advances inthe photocatalyticdestruction oforganic contaminantsand inorganiontaminants aresummaried In addition the majorissues andsome remendationrelated tothe photocatalysisoxidation technologyare presented Keywords heterogeneousphotocatalysis photocatalyst environmental application TiO21引言光催化 Photocatalysis 是一种在催化剂 存在下的光化学反应 是光化学与催化剂的有机结合 因此光和催 化剂是光催化的必要条件 IUPAC 1 2 把 光催化 定义为通过催化剂对光的吸收而进行的催化反应 a catalyticreaction involvinglight absorptionby acatalyst ora substrate 光催化现象在自然界早已存在 例如植物的光合作用就是典型的光 催化反应 可是人们对 光催化 这一术语的使用并不长 这一术 语的提出虽然可以追溯到二十世纪三十年代 但直到二十世纪七十 年代初才为人们所熟知 1972年 日本学者Fujishima和Honda 3 在 自然 杂志上发表了一 篇论文 报道了在光辐射下TiO2单晶电极上可以分解水产生氢气 这一成果标志着光催化技术新时代的到来 从那以后 人们对光催化技术引起了浓厚的兴趣 化学 物理 材 料等诸多领域的研究工作者 就太阳能的转化和储存 光化学合成 以及光催化降解环境污染物等课题进行研究 寻找新型光电转化及 光催化材料 研究光电转化和光催化过程的机理 想方设法地提高 光电转化及光催化的效率和活性 多相光催化氧化法作为一种高级化学氧化技术 近年来日益引起国 内外的重视 他采用半导体材料 一般为锐钛矿型二氧化钛 作为 催化剂 当能量相当于半导体禁带宽度的光照射到催化剂表面时 就会激发半导体内电子从价带跃迁到导带 形成具有很强活性电子 空穴对 并进一步诱导一系列氧化还原反应的进行 从而达到去除 污染物的目的 在环境污染日益严重的今天 净化和保护环境已经成为当务之急 光催化氧化技术作为一种新的环境净化技术越来越为人们所重视 4 11 在光催化剂存在的情况下 利用太阳光和空气可直接把许多有 机污染物分解为一些无机小分子物质如二氧化碳和水 使有害物质 分解 而又不带来二次污染适用范围广 由于半导体多相光催化氧 化技术在环境保护方面的优点 人们对它的研究日益深入 近年来 研究表明光催化法不仅适用于废水处理 而且对处理气相污染物也 十分有效 本文综述了近年来光催化氧化技术对污染物处理的技术 着重介绍 了半导体多相光催化氧化的机理以及催化剂改性和研究现状方面进 行论述 并对目前光催化氧化技术存在的问题和今后研究方向提出 一些看法 2多相光催化作用原理根据晶体能带理论可知 半导体的能带结构与 绝缘体 导体的能带结构不同 半导体的价带 Valence Band 与导带 Conduction Band 不发生重叠 它们之间存在着一个大小适中的禁带 Forbidd en Band 禁带的大小常用带隙能Eg来衡量 对于不同的半导体材料 其带隙能大小不同 相应的光吸收阈值 g 是不同的 半导体的光吸收阈值 g与带隙能Eg的关系为 12 g nm eV E124 0g当半导体材料受到一定能量的光辐射后 如果该光的波长 g 即h Eg时 价带中的电子会被激发到导带上 形成带负电的导 带电子ecb 同时在价带上产生带正电的价带空穴hvb 即形成了 电子 空穴对 又叫半导体的载流子 与金属相比 半导体粒子能带缺少连续区域 因而电子 空穴对寿命较长 TiO2为例半导体多相光催化作用如下TiO2e h 1 h H2O OH H 2 e O2 O2 H HO2 3 2HO2 O2 H2O2 4 2H2O2 O2TiO2带隙能为3 2ev 相当于波长为387 5nm光子的能量 当波长小于387 5nm的紫外光照射时 价带上电子跃迁导到带上 形成电子 空穴对 方程 1 产生的e 和h 除了可以直接于反应物作用 还可以与吸附在催化剂上其它电 子受体或给体反应 当溶液中有O2存在时 光生电子和O2作用生成 O2 进而与H 作用生成HO2 最终生成具有高度化学活性的游离基 OH 来氧化降解有机物 OH OH O2 5 3多相光催化氧化的特性和研究现状3 1多相光催化氧化的特性 1 催化下将光能直接转变为化学能 使许多通常情况下难以实现 的反应在比较温和的条件下能够顺利进行 2 光催化法相比较于其它方法具有选择性好 使用范围广等优点 特别适用于无法或很难进行生物降解的污染物 3 光催化氧化法结构简单 并且操作条件容易控制 4 在光催化剂存在的条件下 利用太阳光和空气可直接把许多有 机污染物最终分解为一些无机小分子物质 达到分解有害物质的目 的而又不带来二次污染 5 以适用于低浓度污染物的治理 通常可以使污染物浓度降到pp b级 6 使用空气或氧气为氧化剂 具有价廉 安全的优点 不象臭氧 法或氯化法使用价格高且有毒害性的氧化剂 3 2催化剂的筛选半导体催化剂具有光活性的条件为只要半导体吸收 光能 h 大于其带隙能 足以激发产生电子和空穴 该半导体就有 可能用做光催化剂 经过研究 光催化氧化催化剂以n型半导体居多 包括有TiO2 ZnO CdS WO3 Fe2O3等 但大多数半导体容易发生腐蚀 其中TiO2化学性 质非常稳定 且具有无毒 货源充足 价格低廉等优点 所以成为 目前应用最广泛的催化剂 TiO2主要有两种晶型锐态型和金红石型 经过研究证明 13 锐态型催化活性优于金红石型 是应用研究的 主要对象 3 3TiO2光催化剂的制备及研究早期的光催化氧化研究 主要使用粉 末光催化剂 存在催化剂难以回收效率低下等缺点 近年来开发光化学反应器的研究日益活跃起来 其中固定相光催化 法尤其引人关注 催化剂的固定就是将半导体催化剂用一定的方法 固定在某些惰性载体上 已研究过的载体有沙子 玻璃珠 玻璃丝 玻璃管以及聚合物等 目前负载型催化剂的制备成为研究的焦点 制备负载型TiO2催化剂 方法有两种 一种是利用粉末状TiO2催化剂固定在载体上 另一种 制备方法是采用水解或溶胶 凝胶法 将钛化合物沉积在载体上 Dibble和Raupp曾采用溶胶 凝胶法制备硅胶为载体的负载型催化剂并将其用于流化床反应器 采用溶胶 凝胶法相对与其他法具有结晶好薄膜均匀等优点 还可以通过改变 参数来控制膜表面积和孔结构 从而提高活性 制备纳米TiO2的方法归纳为气相法和液相法 气相法由于制造成本高 产量低 所以目前多采用液相法来制备TiO 2 其中以金属醇盐水解法和沉淀法为主 金属醇盐水解法通常被设计成溶胶 凝胶法 首先以醇钛盐为原料 无水乙醇为有机溶剂 并且加入一 定量的醇和水 通过控制反应物的不同配比可制得颗粒溶胶或聚合 溶胶 由此可见反应物不同配比将直接影响制得TiO2粉末颗粒大小和光催 化活性 共沉淀法直接制得通常使用TiCl 4 Ti SO4 2 TiOSO4等无机物为反应物 3 4光催化剂催化活性提高3 4 1催化剂表面的贵金属沉积金属在催 化剂表面沉积 形成电子积累中心 沉积量过大 将加速光致电子 和空穴复合 适当的沉积量吸引光致电子 从而提高光催化剂的活性 此外 Rufus B I 等发现当Pd光沉积于CdS时 减少了CdS腐蚀 并 使CdS吸收波长范围扩大至517nm 金属在半导体表面沉积可采用普通浸渍法和光还原法 研究表明将Pt Pb Ag Ir Au Ru等惰性金属沉积在催化剂表面 可以提高光催化反应的效率 主要机理是 通过惰性金属和TiO2构成电极对光生载流子重新分配 电子可从费米能级较高的n 半导体转移到费米能级较低的金属半导体 直到他们费米能级相同 形成的肖特基势垒可以促使电子 空穴有效分离 降低e h 复合 从而提高光催化剂的活性 3 4 1半导体的光敏化常用的半导体吸收波长一般小于400nm 就TiO 2而言其吸收光量大约只占太阳光谱的4 如何延伸光催化剂的激发波 长就成为光催化材料研究的一个重要内容 半导体光催化材料光敏化是延伸的一个途径 它是将光活性化合物 以物理或化学吸附半导体的表面 只要光活性物质在可见光下有较大的激发因子 就可能激发电子注 入到半导体材料的导带 从而扩大了半导体激发波长范围 拓宽到 可见光区域 光催化反应量子效率提高近40 常用的光敏剂有赤藓红 硫堇 荧光素衍生物等 Rega等用了钌吡啶配位化合物敏化TiO2后 使TiO2光电活性大大提 高3 4 2复合半导体研究发现二元复合半导体如TiO2 Cds Cds AgI等表现出高于单一成分的光催化活性 二元复合半导体光催化活性归因于由于不同能级之间半导体之间光 生载流子的分离与运输 以TiO2 Cds为例 光激发TiO2产生电子从较高的导带迁移至Cds较低的导带 空穴的运动方向则于电子相反 从Cds的价带跃迁到TiO2的价带 实现电子与空穴良好分离 3 4 3金属离子掺杂1990年Verwey等最先发现半导体中掺杂不同价态 金属离子后 半导体催化性质改变 TiO2中掺杂某些金属离子能使TiO2吸收波长范围扩展至可见光区域 可能是由于金属离子掺杂在半导体晶格中引入缺陷位置或改变结 晶度 从而影响电子 空穴复合 如成为电子或空穴陷阱而延长其寿命 或成为电子空穴复合中心而 加快复合 研究表明Fe3 Mo3 Ru3 等均能提高光催化活性 而Li Al3 Mg2 等对光催化活性影响较小 掺杂浓度有一个最佳值 大于或小 于最佳浓度 光催化活性下降 4光催化氧化在环境中的应用4 1有机污染物的处理多相光催化具有 强大的氧化能力 到目前为止详细 研究过的已达100余种以上 有 机污染物主要包括烃类 卤代有机物 表面活性剂等几大类 尤其利用此法还可以有效去除许多难以降解或用其它方法难以去除 的物质如氯仿 多氯联苯 多环方烃等 TiO2光激发产生H 的氧化电位为3 0V大于氯气1 36V 和臭氧的2 07 V 因此可以氧化大多数有机物 它同生物降解焚烧等环保技术一样 对污染物进行综合治理 光催化降解有机物反映历程十分复杂 涉及中间产物种类多 因为条件不同产物也不相同 但一般都能降 解为无机小分子 如果污染物初始含有卤原子 硫原子 磷原子和氮原子被分别转化 为X SO42 PO43 NO3 等无机盐类 从而减轻或消除其原有危害性 4 2无机污染物处理无机污染物种类比有机污染物少 最常见的包括 金属离子和氰离子 实验研究证实这两大污染物均可以用光催化法处理 氰离子是一种分布很广的污染物 目前最主要是电镀工业 另外塑 料 油漆 汽车尾气等也是重要污染源 目前氰污染的治理主要是将其转化成低毒形式 如将氰离子氧化成氰酸根离子或转化成硫氰酸根 光催化还能解决汞 铬 铅等金属离子的污染问题 汞是水中主要重金属污染物 对人体脑神经系统危害极大 铬污染能引起局部肉瘤使肺癌发病率提高 铅污染也能导致呼吸系 统癌变利用光催化在柠檬酸根离子存在条件下 Hg2 从含氧溶液中 被e 还原成Hg沉积在TiO2表面 此法同样适用于铬 铅 4 3光催化氧化法在废水处理中的应用目前 废水中包含各种无机污 染物和有机污染物 主要工业废水 农业废水 生活废水等 主要研究对象是水中常见的和难以生物降解的有机物 大量研究表明 水中各种脂肪烃 脂 含氮有机物 表面活性剂 杀虫剂 除草剂等均能被半导体多相光催化氧化分解 一般都能达 到完全矿化的程度 此外该技术还可用于无机污染物废水处理因此开展利用多相光催化 氧化技术处理废水方面的应用研究 对于保护环境 维持生态平衡 实现可持续发展具有重大意义 4 4大气的净化多相光催化可以消除SO 2 H2S NO NO2等有害气体 可以通过光催化氧化来分解那些产生 恶臭的化合物和细菌 大气中SO 2 H2S Nox等有害气体吸附于催化剂表面能在光作用下转化为SO32 S2 S H 2 NO3 具调查 室内空气污染主要工业污染的扩散 肉蛋蔬菜等有机质腐 败分解 烹饪 油漆 建材等释放有害气体 如醛 苯等 甚至还 包括一些致癌物质 可通过光催化氧化技术把催化剂涂于墙壁或建 筑物表面 通过太阳光照射分解污染物 从而改善居室和公共场所 空气状况 14 5结束语多相光催化氧化技术作为一种新的治理污染手段 日益 被人们所重视 在环境检测和污染防护领域 有着广阔的应用前景 可以期望它能进行太阳能的化学转化与储存 还希望它能合成新物 质 以及降解污染物方面发挥作用 目前大多数研究仍然停留在理 论阶段 只有美国利用太阳能在室外进行工业性实验 所以我们需要不断研究寻找合适的载体和固定方法 设计出适当的 高效的光化学反应器 致力与提高光的利用效率 提高催化剂的活性与选择性等 在不断实验中探索达到实验条件的优化 在加深光催化氧化的认识 基础上与其他技术相结合 我相信在国内外研究者的不断努力下实际应用光催化剂技术将成为 不远的将来 参考文献 1 Braslavsky SE andHouk KN Glossary ofterms usedin photochemistry Pure Appl Chem 1988 60 1055 1106 2 Verhoeven JW Glossary ofterms usedin photochemistry Pure Appl Chem 1996 68 12 2223 2286 3 Fujishima Aand HondaK Electroelectrochemical photolysisof waterat asemiconductor electrode Nature 1972 238 5358 37 38 4 Pelizzetti E Schiavello ME Photocatalysis andenviroment trends and application Dordrecht kluwer Academicpublister 1988 5 Frank SN andBard AJ Electrochemical Society National Meeting Washington D C May2 7 1976 Abstract294 6 Frank SN andBard AJ Heterogeneous photocatalyticoxidation ofcyanide ionin aqueous solutions attitanium dioxidepowder J Am Chem Soc 1977 99 1 303 304 7 Frank SN andBard AJ Heterogeneous photocatalyticoxidation ofcyanide andsulfite inaqueoussolutionsat semiconductorpowders J Phys Chem 1977 81 15 1484 1488 8 Goswami DY A reviewof engineeringdevelopments ofaqueous phasesolar photocatalyticdetoxification an