標籤:光化學光催化劑

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。催化劑是加速化學反應的化學物質,其本身並不參與反應。光催化劑就是在光子的激發下能夠起到催化作用的化學物質的統稱。

1起源

光催化技術是在20世紀70年代誕生的基礎納米技術,在中國大陸我們會用光觸媒這個通俗詞來稱呼光催化劑。典型的天然光催化劑就是我們常見的葉綠素,在植物的光合作用中促進空氣中的二氧化碳和水合成為氧氣和碳水化合物。總的來說納米光觸媒技術是一種納米仿生技術,用於環境凈化,自清潔材料,先進新能源,癌症醫療,高效率抗菌等多個前沿領域。

2材料

世界上能作為光觸媒的材料眾多,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體,其中二氧化鈦(Titanium Dioxide)因其氧化能力強,化學性質穩定無毒,成為世界上最當紅的納米光觸媒材料。在早期,也曾經較多使用硫化鎘(CdS)和氧化鋅(ZnO)作為光觸媒材料,但是由於這兩者的化學性質不穩定,會在光催化的同時發生光溶解,溶出有害的金屬離子具有一定的生物毒性,故發達國家目前已經很少將它們用作為民用光催化材料,部分工業光催化領域還在使用。
二氧化鈦是一種半導體,分別具有銳鈦礦(Anatase),金紅石(Rutile)及板鈦礦(Brookite)三種晶體結構,其中只有銳鈦礦結構和金紅石結構具有光催化特性。
二氧化鈦是氧化物半導體的一種,是世界上產量非常大的一種基礎化工原料,普通的二氧化鈦一般稱為體相半導體以與納米二氧化鈦相區分。具有Anatase或者Rutile結構的二氧化鈦在具有一定能量的光子激發下[光子激發原理參考光觸媒反應原理]能使分子軌道中的電子離開價帶(Valence band)躍遷至導帶(conduction band)。從而在材料價帶形成光生空穴[Hole+],在導帶形成光生電子[e-],在體相二氧化鈦中由於二氧化鈦顆粒很大,光生電子在到達導帶開始向顆粒表面活動的過程中很容易與光生空穴複合,從而從宏觀上我們無法觀察到光子激發的效果。但是納米的二氧化鈦顆粒由於尺寸很小,所以電子比較容易擴散到晶體表面,導致原本不帶電的晶體表面的2個不同部分出現了極性相反的2個微區-光生電子和光生空穴。由於光生電子和光生空穴都有很強的能量,遠遠高出一般有機污染物的分子鏈的強度,所以可以輕易將有機污染物分解成最原始的狀態。同時光生空穴還能與空氣中的水分子形成反應,產生氫氧自由基亦可分解有機污染物並且殺滅細菌病毒。這種在一個區域內2個微區截然相反的性質並且共同達到效果的過程是納米技術典型的應用,一般稱之為二元論。該反應微區稱之為二元協同界面。
從上面介紹我們可以看到,二氧化鈦的光催化反應過程,很大程度依靠第一步的光子激發,所以有足夠激發二氧化鈦的光子,才能提供足夠的能量,我們也可以知道,光催化反應並不是憑空產生的它也是需要消耗能量的,符合能量守恆原則,它消耗的是光子,也就是光能。如果是太陽光照射光觸媒就利用太陽能,燈光就是利用光能。聯合國將光觸媒開發列為21世紀太陽能利用計劃的重要組成部分。

3能激發二氧化鈦的光子

什麼樣的光子能激發二氧化鈦呢?從理論結構上來說,銳鈦二氧化鈦的導帶與價帶之間的間隙[我們稱之為能隙]是3.2eV 而金紅石二氧化鈦為3.0eV,所以金紅石需要光能大於3.0eV的光子而銳鈦需要大於3.2eV的光子。光子的能量E與波長λ(Lambda)與之具有反比關係E = h C / λ,所以可以知道波長小於380nm的光可以激發銳鈦型二氧化鈦。雖然銳鈦礦需要略多的能量來激發,但是同樣的銳鈦礦的二氧化鈦光觸媒具有更強的氧化能力,所以被更為廣泛的使用。有研究表明接近7nm粒徑時,銳鈦礦要比金紅石更為穩定,這也是很多納米光觸媒採用銳鈦型的原因。

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