光催化技術在環境治理中的應用
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摘 要：
光催化氧化技術是一種能有效利用太陽能的綠色技術。因其具有降解效率高、操作簡單、無二次污染、可直接利用太陽光等特點，在光解水制氫、處理大氣污染物和廢水污染物等環境治理方面有著非常廣泛的關注度。本文從光催化氧化技術應用的三大方面進行了闡述，并展望了光催化技術的發展趨勢。
關鍵詞：光催化技術；降解；環境治理
1 前言
近些年來，光催化氧化技術作為一種環境友好型的綠色技術，能高效利用太陽能治理環境問題，同時具有較好的熱穩定性和化學穩定性，在環境日益污染嚴重且能源短缺的現有情況下，被廣大研究者認為是緩解能源危機、解決環境問題的可持續發展的方法之一[1]。1972 年，自日本科研人員 Fujishima 和 Honda 研究發現采用二氧化鈦光解水的原理后，首次提出光催化氧化技術以來，光催化氧化技術開始受到全球研究者的廣泛關注。
2 光催化氧化技術的原理
光催化氧化技術是利用光反應和催化反應協同作用的光化學過程。在太陽光(外加光源)的照射下，主要是利用表面具有強氧化還原性的光催化材料(一般選擇采用半導體光催化材料)與污染物發生反應，達到光催化氧化的目的，可實現光解水制氫、處理大氣污染物和廢水污染物等過程[2]。根據電子能帶的相關理論，半導體光催化材料的能帶可分為低能價帶(VB)和高能導帶(CB)，價帶和導帶之間我們稱為禁帶，其寬度即叫做禁帶寬度(Eg)。一般認為，外界光源照射反應體系時，禁帶寬度小于或者等于被照射的光子能量，電子(價帶上)被激發而產生躍遷后，在價帶上留下了空穴，組成了大家熟知的電子-空穴對。由于電場的作用，電子和空穴經過分離，到達光催化材料的表面，還原性的電子，與體系中的溶解氧反應生成超氧自由基(O2•-)、羥基自由基(HO2•)以及過氧化氫(H2O2)等，而氧化性的空穴，與 H2O 和 OH-反應生成羥基自由基(·OH)等活性基團，這些活性基團通過降解礦化有機污染物，最終降解為無毒無機的二氧化碳和水。
3 光催化氧化技術在大氣污染治理中的研究
環境中的大氣污染物主要來自于化工石油行業氣體的排放，機動車尾氣和人為活動等。基于光催化氧化技術的優點，越來越多的研究者們選擇采用該技術來處理降解氣態污染物，使得有害氣體順利轉化為無害氣體，達到去除污染物的目的[3]。研究發現，王淑勤[4]等采用 Co-Ce 共摻雜 Ti O2 作為光催化材料，對濃度為 762 μg /m3 的 NO 可見光催化效率高達 92.69 %；羅穎基[]等發現制備出的 Ti O2/GO 復合材料，分別與純的二氧化鈦和氧化石墨烯相比較，明顯增強了光催化處理 VOCs 的能力；呂鯤[6]等總結分析了光催化氧化技術對一些典型大氣有機污染物、氮氧化物、硫化物以及二氧化碳等有較高的去除效率，以二氧化鈦為例，去除率一般能達到 80%~99%之間；周文君[7]等制備復合光催化材料 Cu O-Ti3+ /Ti O2( Cu-Ti MB)，對其在可見光條件下氣相甲苯凈化催化性能進行了研究。通過對實驗結果分析，該方法制備的 Cu O-Ti3+ /Ti O2 (Cu Ti MB) 復合光催化材料對甲苯具有較好的催化活性。
4 光催化氧化技術在光解水制氫中的研究
光催化分解水制氫主要是光能轉化為化學能的一種過程。在光催化分解水制氫過程中，躍遷到光催化材料表面的電子通過還原氫離子而產生氫氣[8]。需要注意的一點是，光催化材料的導帶位置必須與水的還原電位相匹配，一定要構成光催化材料導帶的最上層能級比水的還原產氫電位(φ(H＋／H2)＝0)更負，才能順利產氫。研 究 表 明 ， 李 和 川 [9] 等 研 究 制 備 金 屬 有 機 大 環[Ni2(L2)2(CH3CN)4](Cl O4)4·4CH3CN，在可見光照射下的光解水產氫 TON 值可以達到 3100 mol H2·molcat-1；楊林林[10]等成功合成氧雜蒽染料修飾鈷-硫脲配合物，與配合物相比較，提升了體系的催化活性，其產氫 TON 值可以達到 2800 mol H2·molcat-1；張晶晶[11]等采用 In2O3 /Zr O2 -Ti O2 空心球復合材料產氫，結果表明其具有較好的產氫效果，在八小時內可達到 6. 7 μmol /g。
5 光催化氧化技術在水污染治理中的研究
光催化氧化技術對于處理廢水污染物來說，是一種高效節能的綠色技術。在深度處理工業廢水、制藥廢水和染料廢水等含有多種難降解物質的廢水中，相較于傳統的廢水處理方法，具有高效性和可循環利用性等優勢，可將難降解有機污染物完全礦化為二氧化碳和水[12]。研究發現，楊國軍[13]等采用逐次插層氧化石墨烯的方法成功制備了 Ag/Ag Br-Ti O2/GO 復合光催化材料，光照 20 min 后甲基橙的降解率可達 92 %以上；王家強[14]團隊設計了一套光催化處理設備，用來處理 60 t/d 的醫療廢水，經自主設計的光催化撬裝設備處理后，COD、氨氮等主要指標均達標，對類大腸菌群去除率高達 99%；李瑤[1]等合成了 Cu-Ti O2/白云母復合納米材料，經過對 20 mg/L 的的亞甲基藍光催化 1 h 后，亞甲基藍完全被降解；王竹梅[16]等采用水熱法合成制備了 Ni O/Ti O2 復合納米管，相對于純二氧化鈦，對甲基橙的去除率提升了 88.6%；張晶[17]等模擬日光光源，Sb2WO6 /g-C3N4 作為光催化復合材料，經 60 min 光照 后 ， 對 Rh B 的 去 除 率 可 達 99. 3% ； 張 曉 君 [18] 等 發 現Ag I/Ag3PO4-10 %復合光催化材料較純的光催化材料，在光催化效率和穩定性方面具有明顯的提高，在可見光照射一小時后，對羅丹明 B 降解率可達到 99 %。
6 光催化氧化技術的展望
根據上述所知，光催化材料在外界光源的照射下，通過將光能轉化為化學能，進而產氫或去除有機污染物。但是，可見光輻射僅占太陽光輻射的 47 %，研究制備的光催化材料中只有部分是在可見光區域有響應的。因此，假設我們想盡可能有效的利用太陽光，那么就亟待開發高效的可見光響應型光催化材料，這在光催化氧化技術研究進程中具有非常重要的意義。在研究過程中發現，光催化材料在使用一次之后可能會出現失活的現象。換言之，部分已研發的光催化材料在反應過程中非常不穩定，這極大的限制了光催化氧化技術的進行。我們需要尋找開發具有較好的穩定性和循環利用性的光催化材料，以便于反應的持續進行。綜上所述，尋找一種或多種高效穩定的可見光響應型光催化材料迫在眉睫。光催化氧化技術的發展空間是巨大的，研究者們可以為該技術進一步發展做出更多的努力，不斷改革創新，促進生態環境的可持續發展。
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作者：郭婧 戴友芝 劉林 陳躍輝 周瓊芝 單位：湘潭大學 環境與資源學院