毕业论文课题相关文献综述

文 献 综 述

1.国内外研究现状

自1972年Fujishima和Honda[1]报道利用TiO₂单晶电极光解水的实验结果以来，人们对半导体光催化剂TiO₂在水处理中的应用进行了大量研究。在去除水中难降解污染物方面，半导体光催化剂具有强氧化性、污染物矿化完全，可直接利用太阳光等特点，有望成为一种新型的污水处理工艺。但是，TiO₂光催化目前仍处于实验室阶段，在实际应用中仍存在很多困难，阻碍其应用的一个重要因素就是激发光波长的问题。由于TiO₂半导体禁带宽度较宽为3.2 eV，其对应的波长为387 nm属于紫外光区，而紫外光只占到达地球表面太阳光的3％－4％，在太阳光谱中占绝大多数的可见光部分（能量约占45％）未得到有效利用[2]。因此，如何修饰TiO₂使其能够响应长波长的可见光部分，高效利用太阳能成为目前TiO₂光催化最具挑战性的课题。解决好了这一课题，TiO₂将会有更为广阔的应用前景。目前，实现TiO₂可见光催化的主要方法有金属掺杂、非金属掺杂、染料光敏化、半导体复合等。

2．TiO₂光催化反应机理

目前，研究最多的光催化剂半导体材料为金属氧化物和硫族化合物，如TiO₂、ZnO、CdS、WO₃、F_e2O₃、SrTiO₃、SnO₂等，这些半导体中TiO₂、ZnO 和CdS 的催化活性最高，但ZnO、CdS 在光照射时不稳定，常因光阳极腐蚀产生Cd² 、Zn² ，这些离子对生物有毒性[4]。相比之下，TiO2光催化材料具有很多优越性，其特点是：不发生光腐蚀，耐酸碱性好，化学性质稳定，对生物无毒性，来源丰富，能隙较大，光生空穴的电位为3.2 eV（vs.NHE），有很强的氧化性。当TiO₂ 被能量大于其禁带宽度的光照射时，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（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TiO₂粒子表面上的物质发生氧化还原反应。空穴能够同吸附在TiO₂ 粒子表面的OH-或H₂O 发生作用生成OH。OH 是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂。光生电子也能够与O₂ 发生作用生成HO₂和O₂-等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。该过程如图1所示，可用如下反应式表示：

TiO₂ hv→TiO²（e^-，h ） （1）

e^- h →heat or hv （2）

h OH ads→OH （3）

h H₂O ads→OH H （4）

e^- O₂→O₂- （5）