二氧化鈦光催化分解甲醛原理.doc

納米二氧化鈦光催化分解甲醛原理1. 光催化劑的發(fā)現(xiàn)歷史自從1972年Fujishima和Honda2發(fā)現(xiàn)TiO2在受到紫外光照射時(shí)可以將水氧化還原生成氫，光催化材料就引起了科研人員的關(guān)注。而1976年Carey等3將TiO2的光催化作用應(yīng)用于水中多氯聯(lián)苯化合物脫氯去毒并取得了成功，從此TiO2作為一種去除有機(jī)物的一種有效方法應(yīng)用到了水和空氣的清潔凈化領(lǐng)域。1985年，日本科學(xué)家Tadashi Matsunaga等4第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了TiO2在紫外光下有殺菌作用。近年來科學(xué)家們又對(duì)TiO2進(jìn)行了深入的研究，并取得了很大的進(jìn)步。但是以前的研究多數(shù)是用溶膠凝膠負(fù)載在基材上，這樣的負(fù)載量有限，所以對(duì)空氣的凈化的速率較慢。如何能夠快速、便捷、安全、有效的除去室內(nèi)的各種污染物及病菌成為一個(gè)亟待解決的問題。納米TiO2良好的光催化性能使它成為了解決這一問的熱點(diǎn)研究方向。納米TiO2以其催化活性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、使用安全， 2. 納米TiO2光催化機(jī)理納米TiO2是一種n型半導(dǎo)體氧化物，其光催化原理可以用半導(dǎo)體的能帶理論來解釋5。由于TiO2納米粒子的粒徑在1100 nm，所以其電子的Fermi能級(jí)是分立的，而不是像金屬導(dǎo)體中的能級(jí)是連續(xù)的，在納米TiO2半導(dǎo)體氧化物的原子或分子軌道中具有一個(gè)空的能量區(qū)域，它介于導(dǎo)帶與價(jià)帶之間，稱為禁帶6，其寬度為3.2 eV，當(dāng)納米TiO2接受波長為387.5 nm以下的光線照射時(shí)，其內(nèi)部價(jià)帶的電子由于吸收光子躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，即光生載流子，然后迅速遷移到其表面并激活被吸附的O2和H2O，產(chǎn)生高活性羥基自由基(OH)和超氧離子自由基(O2- )7，當(dāng)污染物以及細(xì)菌吸附其表面時(shí)，會(huì)發(fā)生兩個(gè)步驟：（1）吸收相波長為387.5 nm以下的光能，使表面發(fā)生光激發(fā)而產(chǎn)生光致電子和正的空穴。（2）在受光照射而產(chǎn)生的電子-空穴中，電子消耗于空氣中氧的還原，空穴則將吸附物質(zhì)氧化，分解這些吸附物質(zhì)的作用。如下圖1：導(dǎo)帶O2387.5nm光O2-禁帶有機(jī)物價(jià)帶R+(空穴)圖1 TiO2的光催化機(jī)理具體的反應(yīng)方程式為：光致電子（e -）和空穴（h +）的形成TiO2 + hv e -+ h + .(1)羥基自由基（OH）和超氧離子自由基（O2-）的生成O2 + e- O2- .(2)H2O + h+ OH + H+ .(3)由O2 - 形成H2O2 O2 - + H+ HO2 .(4) HO2+HO2 H2O2 + O2 .(5) O2 - +HO2 HO2 - + O2 .(6) HO2 - + H+ H2O2 .(7)OH和 O2- 也可以通過 H2O2 形成: H2O2 + e- OH + OH- .(8) H2O2 + O2- OH + OH-+ O2 .(9) H2O2 + hv 2OH .(10) H2O2 O2- + 2H .(11)上述反應(yīng)在 TiO2 表面生成的羥基自由基（OH）和超氧離子自由基（O2-）具有很強(qiáng)的氧化能力5-9，其中羥基自由基的反應(yīng)能為402.8MJ/mol，足以破壞有機(jī)物中的CC、CH、CN、CO、NH等鍵，使有機(jī)污染物質(zhì)在OH和O2-作用下被完全氧化至 CO2、 H2O5。所以能夠有效地去除室內(nèi)主要污染物如烴類、苯、甲醛、硫化物、氨等，并有除臭、殺菌的功能，反應(yīng)生成的物質(zhì)無害9。納米TiO2光催化殺滅微生物細(xì)胞有兩種生化機(jī)理：一種是被紫外光激發(fā)的TiO2和細(xì)胞直接作用。即光致電子和空穴直接和細(xì)胞壁、細(xì)胞膜或細(xì)胞的組成成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有非常強(qiáng)的氧化能力的光生空穴，直接氧化細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、和細(xì)胞內(nèi)的組成成分，而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。另一種是光激發(fā)的TiO2與細(xì)胞的間接反應(yīng)。即光致電子或空穴與水或水