[科普中国]-光催化净化器

光催化净化技术主要是利用光催化剂二氧化钛(TiO2)吸收外界辐射的光能，使其直接转变为化学能。当能量大于禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子(e-)，同时在价带留下空穴阶(h+)。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也能直接复合，空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的HO-或H2O发生作用生成自由基HO・，HO・是一种活性很高的粒子，能够无选择的氧化多种有机物并使之矿化。

反应机理光催化反应的本质是在光电转换中进行氧化还原反应。根据半导体的电子结构，当半导体（光催化剂）吸收一个能量大于其带隙能（Eg）的光子时，电子（e-）会从价帯跃迁到导带上，而在价带上留下带正电的空穴（e-）。价带空穴具有强氧化性，而导带电子具有强还原性，它们可以直接与反应物作用，还可以与吸附在光催化剂上的其他电子给体和受体反应。例如空穴可以使氧化，电子使空气中的O2还原，生成H2O2、·OH基团和・H2O，这些基团的氧化能力都很强，能有效地将有机污染物氧化，最终将其分解为CO2、H2O，达到消除VOCs的目的。

一般采用纳米半导体粒子为光催化剂，这是因为：①通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移；②与体材料相比，量子阱中的热载流子冷却速度下降，量子效率提高；③纳米TiO2所具有的量子尺寸效应使其导电和价电能级变成分立的能级，能隙变宽，导电电位变得更负，而价电电位变得更正，这些使其具备了更强的氧化还原能力，从而催化活性大大提高；④纳米粒子比表面积大，使粒子具有更强的吸附有机物的能力，这对催化反应十分有利，粒径越小，电子与空穴复合几率越小，电荷分离效果越好，从而提高催化活性。

光源由于光催化发生的条件是：hv≥Eg，h是普朗克常数，为6.626 ×10-27J·s，v是辐射光频率，Eg是半导体材料价带和导带之间的能级差。可见，较高频率的辐射易产生催化反应。对TiO2，Eg =3.2eV，因此，一般在紫外线光照射下光催化反应才能进行。

光催化反应器中采用的光源多为中压或低压汞灯。如前所述，紫外光谱分为UVA（315～400nm）、UVB（280～315nm）和UVC（100～280nm）。杀菌紫外灯波长一般在UVC波段，特别在254nm。在应用中采用所谓黑光灯（black light lamp）和黑光蓝灯（blacklightbluelamp）效果较好，其辐射波长在UVA波段。185nm以下的辐射会产生臭氧，而上述两种灯的辐射在240nm以上，故不会产生臭氧。

反应器形式光催化反应器形式为：流化床型、固定床型和蜂窝结构型等。固定床具有较大连续表面积的载体，将催化剂负载其上，流动相流过表面发生反应。流化床多适合于颗粒状载体，负载后仍能随流动相发生翻滚、迁移等，但载体颗粒较TiO2纳米粒子大得多，易与反应物分离，可用滤片将其封存在光催化反应器中而实现连续化处理。蜂窝状反应器流动阻力小，最有应用前景，当前市售的纳米光催化反应器多为此种形式。

当前，制约光催化获得大规模应用的瓶颈问题是：①会产生有害副产物；②性能会衰减较快—俗称材料“中毒”或老化；③光催化净化效率不高；④耗能较高。1

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郑国忠 - 副教授 - 华北电力大学