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工業(yè)廢氣處理
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廢氣處理常見材料之光催化材料
光催化劑
通俗意義上講觸媒就是催化劑的意思，光觸媒顧名思義就是光催化劑。催化劑是加速化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，其本身并不參與反應(yīng)。光催化劑就是在光子的激發(fā)下能夠起到催化作用的化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱。
光催化劑是光+催化劑的合成詞。光催化劑是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，光催化劑是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)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)成極具氧化力的自由負(fù)離子。幾乎可分解所有對人體和環(huán)境有害的有機(jī)物質(zhì)及部分無機(jī)物質(zhì)，不僅能加速反應(yīng)，也能運(yùn)用自然界的定侓，不造成資源浪費(fèi)與附加污染形成。最具代表性的例子為植物的“光合作用”，吸收對動物有毒之二氧化碳，利用光能轉(zhuǎn)化為氧氣及水。
光催化劑的材料眾多，包括二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化錫(SnO2)、二氧化鋯(ZrO2)、硫化鎘(CdS)等多種氧化物硫化物半導(dǎo)體，其中二氧化鈦(Titanium Di-oxide)因其氧化能力強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定無毒，成為世界上最當(dāng)紅的納米光催化劑材料。
光催化氧化反應(yīng)以半導(dǎo)體為催化劑，以光為能量，將有機(jī)物降解為CO2和H2O。反應(yīng)機(jī)理如下。
半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)與金屬不同的是價(jià)帶(VB)和導(dǎo)帶(CB)之間存在一個(gè)禁帶。用作光催化劑的半導(dǎo)體一般具有較大的禁帶寬度，有時(shí)稱為寬帶隙半導(dǎo)體。當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體吸收閾值的光照射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷，即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生電子和空穴。
在光照下，如果光子的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，其價(jià)帶上的電子(e-)就會被激發(fā)到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴(h+)。激發(fā)態(tài)的導(dǎo)帶電子和價(jià)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(dāng)催化劑存在合適的俘獲劑、表面缺陷或者其他因素時(shí)，電子和空穴的復(fù)合得到抑制，就會在催化劑表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。價(jià)帶空穴是良好的氧化劑，導(dǎo)帶電子是良好的還原劑，在半導(dǎo)體光催化反應(yīng)中，一般與表面吸附的H2O、O2反應(yīng)生成氧化性很活潑的羥基自由基(·OH-)和超氧離子自由基()。能夠把各種有機(jī)物氧化直接氧化成CO2、H2O等無機(jī)小分子，而且因?yàn)樗鼈兊难趸芰?qiáng)，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。
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