环境催化与材料

环境催化与材料课程论文光电催化处理污染物的研究进展

姓名：周光红

班级：环境二班

学号：20818095

日期：二零零八年十二月三十日

目录

1、引言 (1)

2、光电催化的原理 (1)

2.1 光催化的原理 (1)

2.2 光电催化——光催化与电化学协同效应 (2)

2.3光电催化反应的影响因素 (3)

3、二氧化钛光电催化剂改性研究 (5)

3.1掺杂改性研究进展 (5)

3.1.1过渡金属的掺杂 (5)

3.1.2贵重金属的沉积 (6)

3.1.3非金属掺杂 (6)

3.2复合半导体的研究进展 (7)

3.3表面技术处理光催化半导体的研究 (7)

3.3.1表面修饰 (7)

3.3.2光敏化材料改性研究 (8)

3.4半导体的固定化技术研究 (8)

4、光电催化在水处理方面的应用研究进展 (9)

4.1.光电催化降解染料 (9)

4.2.光电催化降解甲酸 (10)

4.3.光电催化降解酚类 (10)

4.4.光电催化降解醇类 (10)

5、光电催化技术处理污染物过程中存在的问题 (11)

6、结论与展望 (12)

参考文献 (13)

1、引言

光电催化技术是一种能有效促进光生电子和空穴分离,并利用光电协同作用的增强型光催化氧化技术。长期以来,光催化技术的处理效率始终难以达到实际应用的水平,主要原因就在于光生电子和空穴的复合率高,抑制了两者同溶液中被处理物质的反应。通过外加电场促进光生电子与空穴的分离,从而提高光催化技术的处理效率。这种将光化学催化(光催化)和电化学氧化法结合起来以达到协同效应的光电结合技术称为光电催化技术,也称为“电助光催化技术”,是目前氧化法研究的新热点。

2、光电催化的原理

2.1 光催化的原理

“光催化”即意味着光化学与催化剂二者的有机结合，因此光和催化剂是引发和促进光催化氧化还原反应的必要条件。半导体材料之所以能作为光催化剂，是由于其自身的光电特性所决定的[1-3]

半导体的能带是不连续的，价带(VB)和导带(CB)之间存在一个禁带，当用能量等于或大于禁带宽度(也称带隙能，Eg)的光照射半导体时，其价带上的电子(e-)被激发，跃过禁带进入导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，形成电子—空穴对。光生空穴具有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收入射光的物质被活性氧化。而电子则是强还原剂[4]。水溶液中的光催化氧化反应，在半导体表面失去电子的主要是水分子，水分子经催化后生成氧化能力极强的羟基自由基·OH，·OH是水中存在的氧化剂中反应活性最强的，而且对作用物几乎无选择性，可以氧化各种有机物，并使之矿化。

2.2 光电催化——光催化与电化学协同效应

光电催化技术是一种能有效促进光生电子和空穴分离,并利用光电协同作用的增强型光催化氧化技术。长期以来,光催化技术的处理效率始终难以达到实际应用的水平,主要原因就在于光生电子和空穴的复合率高,抑制了两者同溶液中被处理物质的反应。通过外加电场促进光生电子与空穴的分离,从而提高光催化技术的处理效率。这种将光化学催化(光催化)和电化学氧化法结合起来以达到协同效应的光电结合技术称为光电催化技术,也称为“电助光催化技术”,是目前氧化法研究的新热点。光电催化技术作为一种电化学辅助的光催化反应技术,其反应机理是:半导体具有能带结构,由填满电子的价带和空的

导带构成,价带和导带之间存在禁带。当用能量大于或等于禁带宽度的光照射半导体(通常采用TiO2)时,价带上的电子被激发跃迁至导带而产生空穴,光生空穴具有很强的氧化能力,可夺取水分子的电子生成HO·。而HO·是水中存在的氧化剂中反应活性最强的,且对作用物几乎无选择性,故能使多种难于降解的水中有机污染物完全无机化。

光电催化技术以光催化剂作为光阳极,对其施加一定的偏电压,光生电子就会

迁移至外电路,从而抑制光生电子和空穴的复合。空穴在催化剂表面累积,并发生进一步反应以去除污染物。在反应体系中加入电压可显著减少电子空穴对的复合,从而解决了光催化中电子空穴对严重的复合问题。

DongHyun等以半导体氧化物薄膜作为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极构成光电化学电池。用近紫外光直接照射阳极，激发二氧化产生空穴h+及·OH自由基，将溶液中有机物氧化，而电子e则通过外电路流向对电极，将液相中氧化态组分还原，从而降低e、h+的复合率，这样光量子效率有了极大的提高，同时催化剂的活性也得到了改善。

2.3光电催化反应的影响因素

光电催化反应是将电化学技术与光催化技术结合一起，因此除影响光催化反应的因素对光电催化反应有影响之外，还有其他一些因素对光电催化反应有影响，主要有以下:

a光催化剂的粒径

催化剂粒子越小，溶液中分散的单位质量的粒子数目就越多，光吸附效率就越高，光吸收不易饱和，体系的比表面大，反应面积就大，也有助于有机物的预吸附，反应速率和效率就大;粒径越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子与空穴分离的效果越好，光催化活性就越高.

但是，粒径也不是越小越好。粒径降低到一定程度，比表面积急剧增加，导致表面电子和空穴复合几率提高。而且粒径的过分减小，量子尺寸效应显著，禁

带变宽，可利用的光的波长范围减小，导致可吸收的光子减少，迁移到表面的光生空穴一电子对减少，从而光催化效果降低。因而光催化剂的粒径也有一个最佳值。

b溶液电导率的影响

溶液的电导率对有机物降解有较大影响。安太成[5]等人在对直接湖蓝降解研究结果表明:COD降解率随着溶液电导率的升高反而降低，色度去除率也有所降低。

c溶液初始pH的影响

溶液的PH对光催化反应有较大影响，主要是因为溶液的pH不同，改变了半导体光透电极与电解质溶液界面的电荷性质，进而影响了半导体光透电极对有机物的吸附。有研究证明，TOi2的异电点约为pH=6.4。当PH<6.4时，下TOi2表面为正电性，易吸附负电性的分子;pH>6.4时，TOi2表面为负电性，易吸附正电性的分子[6]。

d外加偏电压的影响

外加偏压的大小对有机物的降解有一定的影响。由于光阳极的厚度有限，空间电荷层的厚度最大不能超过半导体氧化膜的厚度;且当光强固定时，光生电子的数量是一定的，故外加电压达到一定值时，光生载流子己达到充分分离，形成饱和光电流。因此，在光电流接近饱和状态时，继续增大电压对光催化反应速率提高幅度不大;相反，随着电压的升高，光电流效率反而下降。

e反应物初始浓度的影响

Ball和okmoto[7]的研究表明，光强对催化氧化降解速率的影响程度同样与光强的大小有关。在低光强下，降解速率与光强成线形关系，中等程度的光强下，降解速率与光强的平方根存在线形关系。

反应物浓度对降解速率的影响类似于光强的影响。当反应物浓度很低时，降解速率与浓度成正比，当反应物浓度增加到一定程度时，随着反应物浓度的增加，反应速率虽有所增加，但这种增加与反应物浓度己不存在正比关系，浓度到了一定界限以后，将不再影响反应速率[8]。

f电解质的影响

光电催化反应中常使用的电解质有H2SO4，Na2S、NaOH，NaCl等。当电解质浓

度增加，伴随导电能力增强，槽电压降低，电压效率提高，但是在电解过程会产生复杂的电化学反应，不同的电解质产生的作用也不同[9]。即使同一种电解质在不同的光电催化降解过程中效果也不一样。

g光源与光强的影响

半导体光催化的机理是半导体在光照射下电子激发跃迁。因此，用于激发的电子能量必须大于半导体的禁带宽度才能完成电子激发这一过程。目前的研究大部分只局限于紫外光部分[10]，一般都采用紫外光强度较大的中、高压汞灯或氨灯、黑光灯、紫外线杀菌灯等。

h温度的影响

半导体在强烈的光照下，在没有用红外滤光栅(仅filters)情况下，必然会引起半导体及溶液发热. 因此，关于温度对光化学降解反应的影响，既是一个基本的问题，也是一个十分实际的问题。

3、二氧化钛光电催化剂改性研究

催化剂的进一步改良,通过掺杂、复合、表面修饰等改性手段,提高太阳光的利用率;光催化剂的合理使用,催化剂固定,提高回收率;提高光源的效率和使用年限,设计工业光源,增加特征光的强度,并提高其寿命;氧化剂的有效添加和组合使用,提高处理效果。这是光催化反应工业化的主流路径。另外,随着相关科学的发展,不断采用新技术、新方法对催化剂改性,与其他技术相结合,将是光催化反应工业化的趋势。

3.1掺杂改性研究进展

3.1.1过渡金属的掺杂

为了改良TiO2光催化剂,使其能被可见光激发,研究者在前驱体化学合成中采用了掺杂的方法。由于过渡金属大多存在多种化合价,当TiO2中掺杂少量金属离子,可以成为光生电子-空穴对的浅势捕获阱,延长光电子-空穴的复合时间,从而提高光催化活性,同时也可能拓宽催化剂的波长响应范围。

从能量角度来说,掺杂能延长激光光解时间[11],增加光能的利用率;或者抑制相转化[12],即提高锐钛型向金红石型转化的温度,减少高温烧结等,提高有效晶面的比率。也有人认为[13]掺杂引起光学活性提高是由于光生电子流向金属而被表面氧捕获,从而抑制了空穴电子的复合。但是并非所有的掺杂都有促进催化活性的作用。有研究表明,掺铁能使TiO2在激光光解中特征衰减时间由200μs延长至50 ms,而CO2+和Al3+则减小为5μs。因此,掺杂金属的选择仍然是掺杂改性的重点,但如果能从结构特点的表征出发,发现掺杂的深层次原因,一定会事半功倍。

3.1.2贵重金属的沉积

贵重金属沉积改善光学活性的主要原因是:金属和半导体具有不同的费米能级,当两种材料连结在一起时,电子就会从半导体向金属迁移,一直到二者的费米能级相等为止,使得电子与空穴复合的几率减少了,空穴的氧化能力就能充分的体现。另外,金属沉积将改变半导体的表面性质,提高特定产物的产率或特定光催化反应的速度,起到电子捕获阱作用而且不会覆盖催化剂表面,催化性能显著提高。常见沉积的贵重金属有如Ru、Tb、Th和Ce[14-16]等。研究也表明,沉积量对半导体的活性有很大影响,沉积量过大有可能使金属成为电子和空穴快速复合的中心,不利于光催化降解反应的进行。因此,探索沉积量的研究和沉积金属的选择,也是贵重金属沉积研究的趋势。

3.1.3非金属掺杂

Asahi[17]等人首先发现N元素掺杂的TiO2纳米晶薄膜的吸收带边红移至可见光范围,检测知TiO2-xNx对波长在390~420 nm的光波吸收最好,这意味着充分利用太阳光成为可能。杨志远[14]等制备了掺硫二氧化钛,经过表征和应用发现掺硫能有效抑制二氧化钛晶粒长大,其活性明显高于纯二氧化钛。Ohno[18]等利用两种非金属离子掺杂制备出金红石型二氧化钛,使光波的吸收范围红移至400~700 nm,大大提高了太阳光的利用效果。非金属单质掺杂能提高太阳光的利用率的主要原因[19]是:催化剂中的氧部分被取代,形成晶格缺陷,减少电子空穴的复合。

王振华[20]等研究了金属元素Pb和非金属N共掺杂的TiO2光催化剂,认为Pb掺杂有助于TiO2纳米晶在煅烧及高温氮化过程中保持较高的比表面, Pb-N 共掺杂的协同作用可以提高TiO2对可见光的吸收。进一步实验证明,两种元素共掺杂的纳米晶在可见光的激发下,对甲基橙的降解效率比未掺杂及单一掺杂的TiO2明显提高。

由此可见,非金属与金属的协同掺杂是催化剂此类掺杂改性的基本趋势,也是光催化氧化工艺过程工业化的重要内容。

3.2复合半导体的研究进展

当TiO2与一般带隙小且导带位置高的半导体复合可以使载流子产生有效分离,不论光能大小均能使光电子与空穴发生分离,提高光子效率,延长吸收波波长到可见光。主要原因是半导体的复合可以有效减小禁带宽度,增加可见光的响应范围有效利用太阳光[21]。目前研究较多的是与二氧化硅的复合,通过研究发现由于SiO2形成的网络具有热稳定性,能够有效的抑制二氧化钛形成过程中向金红石型的转化,得到更具有实际意义的较纯二氧化钛光催化剂[22]。

3.3表面技术处理光催化半导体的研究

纳米二氧化钛由于粒径小表面势能大易引起颗粒团聚,而且本身的强极性,影响其在有机溶剂中的分散。研究发现,表面修饰是解决以上不足和提高太阳光利用率的重要手段。

3.3.1表面修饰

表面修饰的主要方法是在TiO2表面包覆一层无机物或有机物膜。这层膜应具有表面活性剂的性质,促使纳米二氧化钛能在有机相及水相中呈高分散状态,以实现更广泛的应用。

由此可见表面修饰突破了单一掺杂改性的方法,为光催化剂的发展提供了一条有益的途径。但是表面修饰层的牢靠度和水溶液中与有机物的竞争吸附可能是此技术的一个难点。

由于悬浮相光催化氧化存在着TiO2微小颗粒易流失、细小颗粒与水分离缓

慢、悬浮粒子影响光的辐射深度、成本较高等问题,阻碍了光催化氧化技术的的发展。因而近年来固定化技术的研究备受研究人员的青睐。催化剂固定的方法主要有两种:一种是将催化剂固定在载体表面;另一种是直接将催化剂固定在反应器内壁上。固定催化剂的载体大多是具有质轻、比表面积大、能漂浮和能固定于水载体中等特点,比如轻质玻璃球、玻璃纤维、砂、吸附剂、硅胶等。固定相催化剂的制备大多采用溶胶凝胶法,此法易于大面积制膜。膜的比表面积越大,孔隙越小,孔径分布均匀,催化活性越好。

Shang[23]等在不锈钢金属网上镀膜进行光催化剂的固定,并用其光催化降解了甲醛获得了很好的效果。饶兴堂[24]等综述了制备二氧化钛薄膜的工艺步骤、特点及研究进展,指出液相法制膜将是二氧化钛薄膜制备和研究的重点。但固定相催化剂也存在传质效率低、光透射受限、光能吸收和散射不足等缺点,这些问题已引起了专家的关注。

3.3.2光敏化材料改性研究

一般认为,将光活性物质物理化学吸附于TiO2表面,扩大可激发电子跃迁的光波范围,提高了光催化效率,也使有机光敏化材料与半导体建立电性藕合,产生了有效的电荷转移[25],因此才使得太阳光利用率得到提高。但是光敏化材料易受外界离子的影响,因此不够稳定[26]。所以不断改善敏化剂的敏化条件,采用包埋、吸附等提高太阳光的使用效率,将是今后光敏化材料的研究重点。

3.4半导体的固定化技术研究

由于悬浮相光催化氧化存在着TiO2微小颗粒易流失、细小颗粒与水分离缓慢、悬浮粒子影响光的辐射深度、成本较高等问题,阻碍了光催化氧化技术的的发展。因而近年来固定化技术的研究备受研究人员的青睐。催化剂固定的方法主要有两种:一种是将催化剂固定在载体表面;另一种是直接将催化剂固定在反应器内壁上。固定催化剂的载体大多是具有质轻、比表面积大、能漂浮和能固定于水载体中等特点,比如轻质玻璃球、玻璃纤维、砂、吸附剂、硅胶等。固定相催化剂的制备大多采用溶胶凝胶法,此法易于大面积制膜。膜的比表面积越大,孔隙越小,孔径分布均匀,催化活性越好。

Shang等在不锈钢金属网上镀膜进行光催化剂的固定,并用其光催化降解了甲醛获得了很好的效果。饶兴堂[24]等综述了制备二氧化钛薄膜的工艺步骤、特点及研究进展,指出液相法制膜将是二氧化钛薄膜制备和研究的重点。但固定相催化剂也存在传质效率低、光透射受限、光能吸收和散射不足等缺点,这些问题已引起了专家的关注。

4、光电催化在水处理方面的应用研究进展

光催化是利用光能进行物质转化的一种方式,是物质在光和催化剂同时作用下所进行的化学反应;电催化是使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化作用;而光电催化是同时具有光催化和电催化特点的反应,它是一种特殊的多相催化。

光电催化是在开发利用太阳能的光电化学电池的过程中迅速发展起来的。1972年,A. Fujishima和K.Honda在n型半导体TiO2电极上发现了水的光电催化分解作用,从此开始了多相催化研究的新纪元。光电催化的前期研究大多限于太阳能的转换和储存(光解水制氢)。20世纪80年代以来,TiO2多相光催化在环境保护领域内对水和气相有机、无机污染物的去除方面取得了较大进展。长期的研究表明,光催化方法能将多种有机污染物彻底矿化去除,为各种有机污染物和还原性的无机污染物,特别是生物难降解的有毒有害物质的去除,提供了一种被认为是极具前途的环境污染深度净化技术。

光电催化作为一种高级氧化技术,与传统的气浮、吸附、氧化等水处理技术相比,能够彻底的降解污染物直至完全矿化,大大提高有机物的降解速率,且没有二次污染,已经被广泛地应用于催化降解染料、酸、醇和酚类等有机污染物。

4.1.光电催化降解染料

Socha等[28]采用TiO2薄膜电极研究了双偶氮染料和三偶氮染料的光电催化降解。在温度60℃、电流密度为01025A·cm-2下降解3h,二者的降解率分别达到74%和31%,比直接电解的降解率要高。姚清照等[3]以纳米结构TiO2膜为工作电极,研究了光电催化方法对水溶液中一品红、铬蓝K、铬黑T的降解效果,并同光

降解和光催化降解进行了对比。经过3h的降解,光电催化降解效率是光降解的2倍,比光催化降解高32%。吴永健[29]采用单槽反应器和双槽反应器研究了水中活性蓝染料的光电催化降解行为,双槽反应器催化效率明显高于单槽反应器,当外加电压为016V、pH=7时,双槽反应器的降解率达到最大。

4.2.光电催化降解甲酸

Kim和Anderson用TiO2薄膜电极光电催化降解甲酸,考察了薄膜厚度、外加电势、氧通量等因素的影响,并系统地研究了pH值、甲酸浓度、Ag+效应、传质过程等对甲酸降解效率的影响。结果表明:pH=3-4时降解率最大,而pH>6时降解反应不再发生,这主要取决于TiO2的表面电荷性质及甲酸的离解常数;甲酸的初始浓度对降解速率影响较小,而其传质过程对反应影响较大[30-31]。

4.3.光电催化降解酚类

Kesselman等[32]研究了不同pH值和起始浓度下TiO2对42氯酚的催化降解,结果表明,42氯酚的降解符合一级反应动力学。Waldner等[33]对比研究了TiO2薄膜电极对42氯酚和草酸的光电催化降解,42氯酚的降解率比草酸要低,这是由于42氯酚的降解经历了多个氧化步骤,生成了中间产物。Taghiza2deh等[34]通过对42氯间苯二酚、4,62邻苯二酚等弱吸附质和3,42二羟基苯甲酸、1,2,42三羟基苯等强吸附质在TiO2表面的光电催化降解行为研究发现,弱吸附质和强吸附质的降解过程差异很大,这与吸附的化学键,反应物的极性以及电极本身的性质有关。

4.4.光电催化降解醇类

Mandelbaum[35]通过测量光电流来研究甲醇、22丙醇和叔丁基醇的光电催化降解。暂态电流和稳态电流的测量结果表明:·OH的生成对起始光电流的作用最大,光电流的衰减是由于·OH与导带电子的复合造成的,·OH与CH3OH的反应是整个光电催化的决定步骤。Jiang等[35]研究了外加电势、光强、反应物浓度、pH 值等因素对光电催化降解甲醇的影响,结果表明:反应的速率控制步骤随上述条件

的变化而变化,在较高外加电势时,界面电荷转移为速率控制步骤,在低电势时TiO2薄膜中电荷转移过程为控制步骤。除了以上几类化合物外,还有许多有机污染物被用于考察光电催化技术的降解效能,其结果均表明光电催化能有效

降解有机污染物[36-38]

5、光电催化技术处理污染物过程中存在的问题

光催化技术因其能彻底矿化或至少破坏有机污染物等原因而受到广泛研究[39-46].外加电场的方法(电助光催化)尤其受到人们的重视.这是因为一方面它可促进光生载流子的分离效率,提高污染物的催化氧化降解速率[40-46];另一方面,它可使氧化和还原反应在不同电极上进行,即在空间上分离[39-45],从而不同于传统的悬浮态光催化技术,因而在利用光生空穴的同时有可能选择性利用光生电子的还原反应.但迄今为止,几乎所有电助光催化反应研究仅局限在光生空穴的氧化作用上[44-45],在阳极氧化降解污染物的同时,光生电子的还原反应经常被忽略[39-45].

尽管光电催化具有很多明显的优点，在有机废物处理中的应用前景是十分诱人的，但是目前并未完全实现工业化，主要存在如下问题:

主要存在着以下问题:

(l)多数研究限于实验室研究，所使用电极面积较小，与实际废水处理应用仍有较大的距离二将实验室基础研究与工程应用相结合，是光电催化技术继续发展的必然趋势。

(2)在光电催化研究中，光电反应的特性研究及设计.催化剂活性的提高是一个尚待解决的问题。如果能将催化剂活性改善，使它在较长的波长(可见光范围)里得到激化，那么我们就可以利用太阳能来处

理各种难降解的污水

(3)对有机物的降解动力学研究尚缺乏可能存在的活性物质的鉴定，反应途径还停留在设想推测阶段.对某类特殊污染物的一般降解过程没有得到系统的归纳，反应动力学模型的建立还比较少。

6、结论与展望

光电催化氧化是一项具有广泛应用前景的新型水处理技术。它能有效地将有机物完全矿化为CO2和无机盐，也可通过控制条件使有机物降解到没有毒性，而能被人们利用这种其他方铸所无法比拟的既处理了废水又节约了资源的优势，使它将成为环境治理的主要技术及时有效地处理水电建设及生产过程中产生的大量的工业废水和生活废水，对保护环境、保护生态至关重要，相信将光电催化水处理技术应用到水电建设的环境保护及治理中，将对环境及生态的保护发展起到重要作用。

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环保催化与环境友好催化技术模板

合肥学院 HEFEI UNIVERSITY 题目:环保催化与环境友好催化技术系别: 化学材料与工程 专业: 化学工程与工艺 学号: 1303021001 于晓飞 1303021012 陶伟 1303021005 周胜 1303021011 徐磊

环保催化与环境友好催化技术 摘要：本文提到了环境经济和环境有好的概念。主要介绍了空气污染治理的催化技术、工业废液的催化净化技术、大气层保护与催化技术、环境友好的催化技术、光催化在环境科学中的应用和光催化环保功能材料. 关键词：催化技术环保催化 一．环境经济和环境友好 环保治理要从根本上解决问题，就要将追求环保与具有竞争性的经济效益联系在一起，使产品生产和过程开发的企业领导从被动执行转自觉的行动，于是提出了环境经济。针对传统的能源消耗，传统的化学工艺和化工生产技术造成的环境污染，提出了环境友好工艺。 二．空气污染治理的催化技术 1．动能源的净化处理和三效催化剂 动态源的污染处理，这里以汽车尾气处理为例。汽车尾气的污染物已成为城市空气的主要污染源，对人类的健康造成了极大的伤害，也严重影响了生态环境。汽车尾气净化采用的催化剂，目前广泛使用的是三效催化剂。它在操作的条件下可同时将尾气中的CO、HC、NOx净化处理，达到环保要求的限制标准。三效催化剂的构成主要由载体、涂层和活性组分所组成，置于汽车尾气催化转化器中。 （1）载体 目前广泛使用的为块状式的载体。材质有陶瓷和合金两大类。最常用的陶瓷材 料为多孔堇青石，组成：2MgO·2Al 2O 3 ·5SiO 2 ）,材料本身主要由平均孔径为数

微米的大孔构成整体制成蜂窝状。这种载体的突出优点是抗热冲击性能优越，具有很低的热膨胀系数；合金载体有不锈钢、Ni-Cr、Fe-Cr-Al等材料。外观为蜂窝状，内部由交错的平板和波纹状薄金属片构成。这种载体材料的特点是机械强度大、传热快、抗震性好、压降低，寿命长等。 （2）涂层 涂层材料必须满足以下要求：①有较高的热稳定性。②增强涂层中某重要组分的热稳定性。③协助或改善某些催化组分的功能。 （3）贵金属活性组分 用于汽车尾气净化的催化剂，早期多使用铁族过渡金属Fe、Co、Ni等。由于它们对催化CO、HC和NOx转化的活性较差，加之高温下抗硫性能欠佳，故目前三效催化剂普遍采用Pt、Rh、Pd贵金属作活性组分。 （4）三效催化剂的性能影响因素及失活 性能影响因素：载体选择及设计、基面涂层、活性贵金属的配比、整体催化剂的制备方法等，还包括转化器的结构设计及操作运转情况。 失活：基质破裂、基面涂层相变、活性组分迁移、贵金属烧结等。 2.静能源的净化处理 静态污染源有多种类型，发电厂的烟囱排放气、各类工业生产过程的排放气、垃圾废弃物焚烧发电的排放气、民用燃放排放气。 （1）NO的催化分解 尽管在非常高的温度下NO是一种不稳定的化合物，但其分解速率却很低，因此必须使用催化剂来加速分解。

新型催化材料及环境友好催化化学-中国石油大学北京

张鑫，男，博士，教授。1995-1999年，大庆石油学院化学工程专业，获工学学士；1999－2002，北京服装学院化工研究所，导师：傅吉全教授，硕士论文题目：MCM-22分子筛的动态合成、表征、改性及烷基化催化应用，获工学硕士学位；2002－2006年清华大学化学系获理学博士学位，导师徐柏庆教授。2006年9月加入西班牙科学院化工技术研究所（Instituto de Tecnología Química, UPV-CSIC）Avelino Corma教授研究组从事博士后研究。2009年1月以“杰出海外留学人才计划”回国受聘到中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室工作，主要从事多相催化、均相催化等物理化学方面的研究工作，包括纳米催化、新型催化材料及环境友好催化化学。2004年获国际催化联合理事会（IACS）授予的首届“Young Scientist Prize”奖，以表彰在研究“Au/ZrO2催化CO氧化反应中载体ZrO2纳米粒子的尺寸效应”的开创性工作。2009年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2009年获教育部自然科学奖二等奖（获奖项目：氧化物及纳米复合型“金属/氧化物”催化剂研究，第三完成人）。目前已在Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）, J. Catal.（2 篇）, Chem. Commun.（2篇）, J. Phys. Chem. B, Dalton Trans., Catal. Today等重要化学/化工期刊发表研究论文16篇，其中SCI论文收录11篇（第1作者9篇），EI论文收录9篇，其中9篇SCI论文获总引用200余次，他引150余次。已参与了两项国家自然科学基金、一项973计划和一项西班牙政府资助的重点研究项目，目前主持国家自然科学基金（20903119）两项，中国石油大学“杰出海外留学人才计划”启动基金一项，教育部留学回国人员启动科研基金一项。 学习经历: 1. 200 2.9-2006.7 清华学（北京）化学系物理专业博士 2. 1999.9-2002.5 北京服装学院化工研究所化学工艺专业硕士 3. 1995.9-1999.6 大庆石油学院石油化工系化学工程专业学士 工作经历： 1. 2009.7-至今中国石油大学（北京）化工学院教授 2. 2009.1-2009.6 中国石油大学（北京）化工学院讲师 3. 2006.9-2008.12 瓦伦西亚科技大学化工技术研究所博士后

§2 几种重要的环保纳米材料

§2 几种重要的环保纳米材料 2.1 纳米TiO2 2.1.1 在治理有机污染物方面的应用 纳米TiO2光催化剂能有效地降解有机污染物，其机理就是通过催化剂表面产生的强氧化性的自由基致使有机物氧化分解．最终使之矿化。因这种氧化作用无选择性，且有较高的分解效率，所以环境中的多种有机污染物均可被氧化分解而消除。 2.1.1.1 卤代有机化合物 卤代有机化合物包括卤代脂肪烃、卤代芳香烃和卤代脂肪酸等。这类物质在美国和欧共体公布的环境优先污染物黑名单中占有相当大的比例。由于其种类繁多、应用广泛、对人类和其他生物毒性较强、对自然环境污染严重，因而研究其催化降解条件、机理及治理方法均具有重要的现实意义。Willie和Prudent等人分别用普通TiO2粉末进行了卤代脂肪烃、卤代有机酸和卤代芳烃的光催化降解实验研究，并详尽探讨了光催化降解机理。1992年，李田等人对饮用水中9种卤代有机物进行了光催化降解的实际和模拟研究，并得到了9种卤代有机物的光催化降解半衰期，结果表明饮用水中多种有机物被同时去除，水质得以全面改善。2.1.1.2 染料 农药分为除草剂和杀虫剂，大都是有机磷、有机氯及含氮化合物。它们在大气、土壤和水体中停留时间长，危害范围广，且难以降解，故其在自然界的环境化学行为深受人们的关注。1999年，郑巍等人研究了由CMC—Na附载普通TiO2光催化降解农药的过程，降解率达50％以上，降解速率符合一级动力学方程，并探讨了以自然光为光源催化降解咪呀胺的可行性。1996年，陈士夫等人以四异丙醇钛为原料，用S—R法制备的TiO2，胶体，经烧结后生成的粉末附载于玻璃纤维．对有机磷农药进行了光催化降解研究。结果表明，浓度较低的有机磷农药在375W中压汞灯照射下短时间内被完全分解为磷酸根，效果显著。光催化分解农药的优点是它不会产生毒性更高的中间产物，这是其他方法所无法相比的。2.1.1.4 表面活性剂 表面活性剂在工农业和人们生活中有着广泛的应用，已对水环境造成严重污

光催化材料的项目报告书

项目报告书

光催化材料的研究概况 摘要： 光催化降解污染物是近年来发展起来的一种节能、高效的绿色环保新技术．它在去除空气中有害物质,废水中有机污染物的光催化降解,废水中重金属污染物的降解，饮用水的深度的处理，除臭，杀菌防霉等方面都有重要作用，但是作为新功能材料，它也面临着很多局限性：催化效率不高，催化剂产量不高，有些催化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。但是我们也应当看到他巨大的发展潜力和市场利用价值，作为处理环境污染的一种方式，它以零二次污染，能源消耗为零，自发进行无需监控等优势必将居于污染控制的鳌头。本文主要综述了光催化反应基本原理、新型光催化材料开发策略及研究进展。分析了提高光催化材料量子效率的关键所在及开展新型光催化材料研究工作的重要性，展望了该领域的未来发展方向。 关键词：光催化原理、光催化材料、研究与开发 正文：光催化的由来 早在1839年，Becquerel 就发现了光电现象，然而未能对其进行理论解释。直到1955年，Brattain和Gareet 才对光电现象进行了合理的解释，标志着光电化学的诞生。1972年，日本东京大学Fujishima和Honda研究发现，利用TiO2单晶进行光催化反应可使水分解成氢和氧。这一开创性的工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究的全面启动。在过去40年里，人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果 光催化材料 光催化材料是指在光作用下可以诱发光氧化一还原反应的一类半导体材料。世界上能作为光催化材料的有很多，包括二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。 例如光催化净化空气： 图表1 光催化涂料 光催化材料对净化空气具有以下功效： 具有光催化降解甲醛、苯、氨等有害气体的功效。 具有抗污、屏蔽紫外线功效。

光催化材料在环境保护中的应用

光催化材料在环境保护中的应用 谭强150110115 摘要：光催化材料对于环境的保护有着深远的意义，近几年来，光催化降解污染物发展成为了一种节能、高效的绿色环保新技术。综述了光催化材料的反应机理和种类，阐述了影响光催化反应的条件和提高反应的效率等问题以及其在环保领域的应用，并提出了其今后的发展方向和前景的展望。同时又介绍了光催化材料的特点及发展历程，对光催化纳米材料在处理水污染、治理大气污染、控制噪声污染等方面的应用进行了综合性的评述。作为新功能材料，它也存在着一些局限性，例如：催化效率不高，催化剂产量不高，部分催化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。但是我们也应当看到它隐含的巨大发展潜力和市场利用价值，作为处理环境污染的一种方式，它凭借零二次污染，能源消耗为零，自发进行无需监控等一些优势必将居于污染控制的鳌头。 关键字：光催化材料应用催化效率环境保护 引言 光催化是半导体材料的独特性能之一 , 主要应用于环境保护方面。光催化材料是指通过该材料、在光的作用下发生的光化学反应所需的催化剂，世界上能作为光催化材料的有很多，包括二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。1972年Fujishima 等人发现了TiO2微粒经过光的照射能使水发生氧化还原反应并生成氢气，是光催化反应研究的开始。特别是在近年来由于日益严重的污染状况 , 有机物的光催化降解研究受到了非常大的重视。经过了近30年来的研究 ,特别是对光催化降解有机污染物的研究，使光催化在环境保护方面取得了比较大的进展。 由于经济的发展迅速，造成了环境的很大污染，迫使人们不断寻求方便快捷的处理污染的方法。通过不断研究，已发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米 TiO 来迅速降解。特别是在水中有机污染物浓度较低或者用其它方法很难降解时，该技术就更显示出其更明显的优势和价值。 1.光催化材料的反应机理

环保催化剂

环保催化剂的应用与研究进展 王洪涛 （中南大学化学化工学院长沙 410012） 摘要：环境间题是人类不能回避的现实问题，环保催化剂在解决环境污染问题上具有很大的潜力，本文主要介绍了环保催化剂在环境保护中的一些应用，并对其将来的发展做一下展望。 关键词：环保催化剂；研究；进展；应用 Abstract: The environmental problem is the unavoidable reality of human, environmental catalysts to solve environmental pollution problems has great potential, this paper describes the environmental catalyst for some applications in environmental protection, and to do what their future development prospects . Keywords: environmental catalysts; research; progress; application 1．前言 保护环境和地球上有限的资源，最好的办法是不产生污染物，为此，必须从产生这些污染物的化学反应的本身去寻找解决环境污染的办法。治理“三废”的环境保护方法实际上有两大类：一类是对排放污染源的处理，也就是传统意义上的“末端治理”法，即将排放污染源中的毒物降解成无毒的或毒性小的物质，使其符合环境法法规的要求再行排放。另一类是对产生污染源的整个工艺过程进行根治，这就是现在提倡的绿色化工的内涵，即尽量不使用有毒、有害的原料和溶剂，从而实现毒物和废弃物的零排放，并使生成的产物可以重复利用。然而，无论环境污染的“末端治理”法，还是绿色化工的实施，都离不开催化剂。椐统计，80%以上的化学反应与催化剂有关【1】。据世界市场研究机构福斯特与沙利（Frost&Sulivan）公司的预测，在今后的十年内环保催化剂将增长13%【2】，每一种新型催化材料的发现及新催化工艺的成功应用都会引起相关工艺的重大变革。 环保催化剂的范畴从广义上讲，可以认为是对环境保护有益的所有催化剂，包括不要或不产生有害副产物的催化合成过程;从狭义上讲，就是与温室效应、臭氧层破坏、酸雨范围的扩大化及水体污染等的改善所涉及的催化剂种类。本文将讲述狭义上的环保催化剂的利用现状及发展方向。 2.环保催化剂的利用现状 催化剂改变了化学反应的途径和选择性，从而可以获得预期的产物。催化剂减少了有毒气体等的生成，从而净化了空气和水。更给人们的生活带来了巨大的利益和方便,环保催化剂与其他化学反应用的催化剂相比,对环境有巨大的好处。 2.1在室内空气净化中的应用【3】 室内有害气体，主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨气以 及各类臭气等。作为空气净化材料TA 光催化剂与一些气体吸附剂(沸石、活性炭、Si0X等)相结合，在弱紫外光激发条件下，就可有效地将吸附于其表面的这些物质分解、氧化，从而使这些物质降低或去除。 对室内主要的气体污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明，污染物的光降解与其浓度有关。100×106护以下的甲醛可完全被TiO2光催化分解为CO2和H2O。而在较高浓度时，则被氧化成为甲酸。高浓度甲苯光催化降解时，由于生成的难分解的中间产物富集在TiO2周围，阻碍了光催化反应的进行，去除效率非常低。但低浓度时，TiO2表面则没有中间产物生成，甲苯很容易被氧化成CO2和H2O。实际生活空间场合，甲醛、甲苯等有机物的浓度都非常低。在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷Ti场光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催化设备均可有效地降解这些有机物，净化室内空气。此外，TiO2光催化薄膜对乙醛等臭气的光照射反应显示:当臭气体的初始浓度大时(5000个单位体积浓度)，只有在紫外光照射下才具有明显的消臭效果，而

光催化材料080804210

光催化材料的研究概况 目前，人类使用的主要能源有石油、天然气和煤炭三种。根据国际能源机构的统计，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。值得注意的是，中国剩余可开采储蓄仅为1390亿吨标准煤，按照中国2003年的开采速度16.67亿吨/年，仅能维持83年。中国石油资源不足，天然气资源也不够丰富，中国已成为世界第二大石油进口国。因此，开发新能源，特别是用清洁能源替代传统能源，迅速地逐年降低它们的消耗量，保护环境改善城市空气质量早已经成为关乎社会可持续发展的重大课题。中国能源发展方向可以锁定在前景看好的五种清洁能源: 水电、风能、太阳能、氢能和生物质。 太阳能不仅清洁干净，而且供应充足，每天照射到地球上的太阳能是全球每天所需能源的一万倍以上。直接利用太阳能来解决能源的枯竭和地球环境污染等问题是其中一个最好、直接、有效的方法。 光催化就是利用太阳能的一种新技术。它不仅可以直接分解水、环境中的有毒有害物质，还可以直接将太阳能转化为电能与化学能(如氢能)等清洁能源。对于从根本上解决环境污染和能源短缺等问题具有重要意义。下面，从光催化材料的几个方面来简述其研究概况。 一、光催化材料的基本原理 半导体光催化材料大多是n型半导体材料，都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构，即在价带和导带之间存在一个禁带。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子和空穴。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。 为例，揭示了其晶体结构、表面羟基自由基以及氧缺陷对量子效率的以TiO 2 影响机制；采用元素掺杂、复合半导体以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可

聚氨酯泡绵环保催化剂CUCAT-HX(取代有机锡)使用说明

聚氨酯泡绵环保催化剂CUCAT-HX(取代有机锡铋) 1、性状描述 本产品外观为茶黄透明液体，密度1.18g/cm3(25℃)，粘度1000mPa.s（25℃）；具特殊化合物气味，易溶于一般聚氨酯原料如聚醚、聚酯多元醇等,微溶于水。 本产品不含溶剂，不含八大重金属、有机锡、偶氮、邻苯酸盐等有毒成分，使用本产品合成的聚氨酯材料，能通过美国和欧盟等严苛环保法规。 2、独特性能 有机锡催化剂在聚氨酯泡沫中一直占据主导地位，但有机锡毒性和对环境的危害近年来引起聚氨酯业界的热议和重视，其淘汰和替代工作也列入很多泡沫生产厂家的日程，同时市面上 也出现了环保有机锡催化剂和有机铋催化剂等作为传统有毒有机锡的替代品。但因为锡金属在 化学价态上的活泼性和易变价性，致使所谓的环保有机锡的环保具有很大的不稳定性，无法确 保其100%的环保性，更兼昂贵的价格，导致泡沫企业拒绝使用；而有机铋催化剂固然环保,也 有一定凝胶作用，但后段凝胶催化作用太弱，往往加入量巨大仍出现塌泡、开裂、表面发粘不 光亮等问题，同时也存在水解失效弊端，不能在系统料中稳定存在，必须生产现场添加。 CUCAT-HX系针对聚氨酯各种发泡产品中起凝胶作用的有毒有机锡的淘汰和取代而开发。 其对异氰酸酯和羟基（-OH）的催化反应具有前期平缓后期加强特点，物料流动期较长，允许 有更长的起发时间，但后期更促进凝胶强度的加强,比常用有机铋催化剂活性高3-6倍,避免后 期因催化活力不足造成的塌泡、开裂、表皮发粘不光亮等情况出现。 CUCAT-HX性能稳定，即使高水含量系统料中也能长时间稳定存在而不产生分解和失效现象，使生产工艺更稳定，这是有机锡、铋催化剂无法达到的优势。 3、应用领域 本产品可用于各种聚氨酯泡沫生产，尤其推荐使用于模塑泡沫、自结皮、微孔弹性体等领域，用于生产鞋底、方向盘、汽车座椅等等产品。 4、使用说明 本产品使用时加入多元醇（Polyol，P料）组份。因配方不同，建议系统料生产厂家针对不同配方自测适用期。 使用量与产品体系和密度等有关，一般用量为P料重量的0.1～0.5% 。平常使用时必须保证盛装本产品的杯子或其它容器是干净和干燥的，并保证使用后注意马上封闭罐口，避免敞开 放置。 5、规格储存 包装规格:25/200kg/桶。储存于干燥阴凉仓库内，避免日光照射和雨淋。不开封保质期一 年。 特别声明：我们所提供之说明及技术建议（无论是口头、书面或通过实验途径）均不构成任何保证，并在有关第三方权益出现时仍然适用。我们的建议并不表示客户可以免去验证我方 建议的有效性及试验我方产品在相关使用过程中的适用性的责任。客户在我方的技术建议的基础上使用我们产品的方法、过程以及由此生产出的产品已超过我方可以控制的范围，因此 客户应自己负责。并且，如果发生任何赔偿争议，我们只负责承担我们的产品本身的价值，不承担任与我们的产品牵连的其他任何附加的价值或赔偿.

催化剂在环境保护中的重要应用

催化剂在环境保护中的重要应用 环境问题是人类不能回避的现实问题，如何消除、减轻或根除由于人类的生产活动而产生的一系列有害污染物质，是人类面临的一个重要课题。目前迫切希望解决的问题有：温室效应、臭氧层破坏、酸雨范围的扩大化、重金属等环境污染物质的排放、热带雨林的减少和土壤沙漠化等。其中前三个问题是由排放到大气中的化学物质引起的。例如：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和亚氧化氮(N2O)都与温室效应有关，氟利昂及N2O破坏臭氧层，二氧化硫(SO2)和NO X是形成酸雨和光化学烟雾的主要因素，除掉或减少这些污染物质主要是通过化学方法来解决，以环境保护为目的的催化化学在解决此类问题中起着核心作用。环保催化是指利用催化剂控制环境不能接受的化合物排放的化学过程，创造舒适环境所用的催化剂。 除去SO2用的环保催化剂 SO2几乎全部由煤和石油燃烧时产生。利用催化剂可以在重油使用前先回收30%—90%的硫，使用的催化剂主要是以Al2O3为载体的Co (Ni)-Mo系列元素；由燃烧排出的硫，传统的除去方法大都采用石灰石泥浆吸收法及其他一些修正方法将硫转化成石膏，但费用较高，这是一般经济实力不强的国家负担不起的，因此，有人提出了以V2O5为催化剂，将SO2氧化制成硫酸，或者以CeO2/ nMgO.MgAl2O3为催化剂先将SO2氧化成SO3，再和固相MgO 反应生成MgSO4，以控制SO X的排放量，最后再将其还原回收H2S。由于将H2S 转化为工业上有用的硫磺，在工艺上比较麻烦，为此近年来，有人又提出了用钙钛矿型稀土复合氧化物和萤石型复(混)合氧化物作催化剂，将SO2直接还原成工业上有用的单质硫的方法，其中钙钛矿型稀土类催化剂主要集中在镧系上，如LaTiO3、LaCoO3、La1 - xSrxCoO3(X = 0.3，0.6，0.7)、La2O2S 以及La2O3的水解产物如LaOOH 等；萤石型复(混)合氧化物作催化剂主要有CeO2、Cu2Ce2O 的复(混)合氧化物，CdZr2O7、Tb2Zr2O7、GeZr2O7等。所用的还原剂主要集中在CO、CH4和H2上。另外，还有人以焦炭为催化剂，采用炭还原的方法；以NiO/MgO为催化剂，以氨为还原剂FeO/ r—Al2O3为催化剂，CO为还原剂等，将SO2还原为单质硫，SO2的转化率均在80%以上，所以，这种催化还原法可以从根本上控制SO2所带来的污染。 除去NO X用的环保催化剂 脱NO X是环境保护中防止形成酸雨的最重要的问题，也是环保催化剂研究中最活跃的课题。大部分是高温燃烧时空气中N2和O2产生的，采取控制的措施有两点：一是燃烧方法的改进；二是对产生的NO X作后处理。后处理的方法是催化还原法，即在固体催化剂存在下，利用各种还原性气体(H2、CO、烃类和NH3等)，以至碳和NO X反应使之转化为N2气的方法。工业排放尾气的脱NO X 所用催化剂为V2O5—TiO2，这种催化剂既可用在燃烧时产生的尾气，又可用在重油燃烧时产生的尾气。美国和德国最近开发的一种价廉的分子筛催化剂，这种分子筛催化剂可用于已经脱SO X的尾气，但这种催化方法用的NH3价格相当贵，而且在未完全反应的情况下，NH3也是一种危险品，且车载很困难。为了取代NH3，日本开发了一种以Cu离子交换的分子筛为催化剂，碳氢化合物(HC)为还原剂，将NO X分解为N2。除了上述催化还原法外，NO X还可通过催化剂直接分

光催化材料研究进展概要

光催化材料研究进展 20 世纪以来, 人们在享受迅速发展的科技所带来的舒适和方便 的同时, 也品尝着盲目和短视造成的生存环境不断恶化的苦果, 环境污染日趋严重。为了适应可持续发展的需要, 污染的控制和治理已成为一个亟待解决的问题。在各种环境污染中, 最普遍、最重要和影响最大的是化学污染。因而, 有效的控制和治理各种化学污染物是环境综合治理的重点, 开发化学污染物无害化的实用技术是环境保护的关键。目前使用的具有代表性的化学污染物处理方法主要有: 物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法和高温焚烧法。这些方法对环境的保护和治理起重大作用, 但是这些技术不同程度的存在着或效率低, 不能彻底将污染物无害化, 产生二次污染, 或使用范围窄, 仅适合特定的污染物而不适合大规模推广应用等方面的缺陷[1]。光催化氧化技术是一门新兴的有广阔应用前景的技术, 特别适用于生化、物化等传统方法无法处理的难降解物质的处理。其中TiO 2、ZnO、CdS、WO 、Fe 2 O 3等半导体光催化技术因其可以直接利用光能而被许多研3 究者看好[2]。 1.1 TiO 2光催化概述 1.1.1 TiO 2的结构性质 二氧化钛是一种多晶型化合物,常见的n型半导体。由于构成原子排列方式不同,TIO2在自然界主要有三种结晶形态分布:锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。三种晶体结构的TIO2中,锐钛矿和金红石的工业用途较广。和锐钛矿相比,金红石的原子排列要致密得多,其相对密

度、折射率以及介电常数也较大,具有很高的分散光射线的能力,同时具有很强的遮盖力和着色力,可用作重要的白色涂料。锐钛矿在可见光短波部分的反射率比金红石型高,普遍拥有良好的光催化活性,在光催化处理环境污染物方面有着极为广阔的应用前景[3]。 1.1.2TiO2光催化反应机理 半导休表面多相光催化的基本原理:用能量高于禁带宽度(Eg)的光照射半导体表面时,价带上的电子被激发,跃迁到异带上，同时在价带产生相应的空穴,这样就半导体内部生成电子(e-)—空穴（h+）随后,.电子-空穴对迁移到粒子表面不同位置、与吸附半导体表面的反应物发生相应的氧化或还原反应,同时激发态的二氧化钛重新回归到基态。与电荷分离相逆的是电子-空穴对的复合过程,这是半导体光催化剂失活的主要原因。电子-空穴对的复合将在半导体体内或表面发生,并释放热量。 1.1.3 TiO2催化剂的局限及改性途径 作为光催化剂,虽然二氧化钛具有其他催化剂难以比拟的无毒、价廉以及稳定等优点。但是目前二氧化钛光催化还存在着一些不足和局限,致使其不能再现实中得到大规模应用。究其原因,主要在于二氧化钛催化剂对太阳光的利用率不高并且其量子产率太低。锐钛矿相和金红石相二氧化铁的带隙分别为3.2eV和3.0 eV,对应的吸收阈值分别为420nm和380nm。它们所吸收的光的波长主要集中在紫外区,而在照射到地球表面的太阳光中,紫外光部分所占的比例还不到5%。从利用太阳能的角度来看,二氧化钛对太阳光的利用率较低,因此,如何缩

光催化材料的基本原理

二，光催化材料的基本原理 半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2。 高效光催化剂必须满足如下几个条件：（1）半导体适当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必须满足产H2和产O2的要求。（2）高效的电子-空穴分离能力，降低它们的复合几率。（3）可见光响应特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的4%，如何利用可见光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决条件。常规anatase-type TiO2 只能在紫外光响应，虽然通过搀杂改性，其吸收边得以红移，但效果还不够理想。因此，开发可见光响应的高效光催化材料是该领域的研究热点。只是，现在的研究状况还不尽人意。 三，光催化材料体系的研究概况 从目前的资料来看，光催化材料体系主要可以分为氧化物，硫化物，氮化物以及磷化物 氧化物：最典型的主要是TiO2及其改性材料。目前，绝大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d区，研究的比较多的是含Ti，Nb，

Ta的氧化物或复合氧化物。其他的含W，Cr，Fe，Co，Ni，Zr等金属氧化物也见报道。个人感觉，d区过渡族金属元素氧化物经过炒菜式的狂轰乱炸后，开发所谓的新体系光催化已经没有多大潜力。目前，以日本学者J. Sato为代表的研究人员，已经把目光锁定在p区元素氧化物上，如含有Ga，Ge，Sb，In，Sn，Bi元素的氧化物。 硫化物：硫化物虽然有较小的禁带宽度，但容易发生光腐蚀现象，较氧化物而言，稳定性较差。主要有ＺnＳ，ＣdＳ等 氮化物：也有较低的带系宽度，研究得不多。有Ｔa／Ｎ，Ｎb／Ｎ等体系 磷化物：研究很少，如ＧaＰ 按照晶体/颗粒形貌分类： （1）层状结构 **半导体微粒柱撑于石墨及天然/人工合成的层状硅酸盐 **层状单元金属氧化物半导体如：V2O5，MoO3，WO3等 **钛酸，铌酸，钛铌酸及其合成的碱（土）金属离子可交换层状结构和半导体微粒柱撑于层间的结构 **含Bi层状结构材料，(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba，Bi，Pb；B=Ti，Nb，W)，钙钛矿层(An-1BnO3n+1)2-夹在(Bi2O2)2+层之间。典型的有：Bi2WO6，Bi2W2O9，Bi3TiNbO9

环保催化剂的应用研究进展

材料导论论文 论文题目：催化材料在环境保护中的 应用研究进展 院系: 化学与环境科学学院 专业班级: 化工1101 姓名: 王宏 学号: 1111034042 授课老师：艾桃桃 日期: 2013年6月12日

催化材料在环境保护中的应用研究进展 [内容摘要] 环境问题是人类不能回避的现实问题,以环境保护为目的的催化化学在解决环境保护问题中起着核心作用。在催化材料商光催化材料对环境报会起着至关作用。光催化氧化材料能有效地降解有机污染物,已成为研究的热点。综述了光催化材料的反应机理和种类, 阐述了影响光催化反应的条件和提高反应的效率等问题以及其在保领域的应用,并提出了其今后的发展方向。 关键词：催化材料光催化氧化二氧化钛环境保护应用 引言 环境问题是人类不能回避的现实问题，如何消除、减轻或根除由于人类的生产活动而产生的一系列有害污染物质，是人类面临的一个重要课题。以环境保护为目的的催化化学在解决此类问题中起着核心作用。20世纪90年代后期绿色化学的兴起，为人类解决化学工业对环境污染，实现可持续发展提供了有效的手段。因此,新型催化材料与催化过程的研究与开发是实现传统化学工艺无害化的主要途径。本文就环保催化材料及光催化材料在环境中应用研究进展和新型环保催化材料做简单的概述。 一、光催化材料在环境保护中的应用研究 光催化材料主要应用于环境保护, 这种新的污染治理技术具有操作简单、无二次污染、效率高、能耗低等优点,可产生较大的效益。近几年,随着研究的深入, 出现了光催化材料和其它领域的结合,如光催化剂在抗菌、新能源技术、自洁陶瓷、建材等方面的应用。 1、光催化反应体系的研究 目前的光催化研究主要应用于降解有机废水方面。根据催化剂的存在形式不同,反应体系分为悬浮相体系和固定相体系两大类。 1.1 悬浮相体系 悬浮相体系就是把光催化材料的颗粒直接加入待处理的溶液中, 通过搅拌使颗粒均匀地悬浮并充分与溶液混合。由于颗粒的比表面积大,光照充分, 与溶液中的被降解物接触充分, 降解效率高。但由于材料的颗粒细小,难以回收,对后期处理有一定困难,所以在实际中推广应用受限。 1.2 固定相体系 将催化材料制成薄膜或附载于其它材料表面进行光催化反应, 主要是针对悬浮相体系的分离和回收困难而设计的。一般光催化材料的载体有玻璃球、沙粒、陶瓷、硅藻土或反应

光催化在环境治理中的应用

光催化的辅助激发措施及其在环境治理中的应用* 易志刚1,2,徐晓玲2,周祚万2 (1 西南交通大学峨眉校区基础部,峨眉614202;2 西南交通大学材料科学与工程学院材料先进技术 教育部重点实验室,成都610031) 摘要 半导体光催化材料以其独特的光化学特性在环境治理领域显示出广阔的应用前景。介绍了光催化技术在环境治理中的应用及其存在的问题,综述了超声波、电化学、微波、热能等辅助激发措施与光催化协同作用降解环境污染物的研究进展,分析了产生协同效应的原理,并展望了该领域未来的技术发展。 关键词 光催化 声 光催化 电 光催化 微波 光催化 热 光催化 环境治理中图分类号:X703.1 文献标识码:A The Assisted Excitations for Photocatalysis and Their Applications in Environment Treatments YI Zhigang 1,2,XU Xiaoling 2,ZHOU Zuow an 2 (1 Department of Basic Co ur ses,So ut hw est Jiaoto ng U niver sity,Emei Cam pus,Emei 614202;2 Key L abo rato ry o f Advanced T echnolo gies o f M aterials of M inistry of Educatio n,Scho ol o f M ater ial Science and Eng ineering , Southw est Jiaoto ng U niver sity,Chengdu 610031) Abstract Semiconductor pho tocatalytic materials w ith unique pho tochemical propert ies display a br oad applica tion pro spects in the field of environmental treatment.T he ex isting pr oblems o f photocatalysis in env ir onment treat ment in recent year s ar e analy zed,and the r esear ch dev elopments and applicatio ns respect to sono photocatalysis,elec tro photo cataly sis,micr owav e pho tocataly sis,thermo photo cataly sis ar e reviewed.T he mechanisms o f synerg istic effects o n the assisting photo cat alyt ic ox idations are analy zed,and the future pro spects in photo cataly st s ar e also dis cussed in this paper. Key words photo cat alysis,sono photo cataly sis,elect ro photo cat aly sis,m icrow ave photocatalysis,thermo pho tocatalysis,environment treatment *国家 十一五 863计划(2009A A 03Z427);西南交通大学峨眉校区科技基金资助项目(20090131) 易志刚:男,1979年生,博士生,讲师,从事环境功能材料研究 周祚万:通讯作者,博士生导师,教授 T el:028 ******** E mail:zw zho u@at https://www.sodocs.net/doc/bc13071274.html, 自20世纪70年代日本学者H onda K 和Fujishim a A 发 表了关于在n 型半导体T iO 2电极上光解水的论文[1]以来,多相光催化材料很快引起了人们的极大兴趣。随后,加拿大科学家Carey 等[2]将纳米T iO 2光催化技术应用于剧毒多氯联苯的降解研究,揭开了光催化技术在环保领域应用的序幕。大量研究表明[3-8],半导体光催化材料受到一定波长的光照射时,其价带上的电子被激发到导带,产生电子 空穴对,部分电子、空穴迁移到材料表面,并与材料表面吸附的某些 物质发生电荷俘获或转移反应,形成H O !、O 2-!、H O 2!等具有高活性的自由基,而且借助后者的高化学活性还可将有机污染物转化成CO 2、H 2O 、S O 42-、N O 3-、PO 43-以及卤素离子等无机小分子物质。窄禁带光催化材料(如CdS 、CdS e 、PbS 、M oS 2、C u 2O 、 Fe 2O 3等)的可见光吸收能力强,但催化活性较低,且易发生化学和光腐蚀,在水中形成有害离子,故不适合用于污染物降解;宽禁带光催化材料(T iO 2、ZnO 、Sr T iO 3、ZnS)具有良好的光催化性能,但只有在紫外光照射下 才能被激发,且光生电子与空穴的复合率高,光量子效率低, 使其在污染治理领域的应用受到很大限制。为此,科研工作者对半导体材料进行了大量改性研究,提出了诸如半导体复合、贵金属沉积、金属离子掺杂、非金属离子掺杂、染料敏化等技术措施,使半导体材料的光催化性能得到了很大改善[9]。除此之外,研究还发现超声波、电化学、微波、热等可作为激活半导体材料的能量源,与光照联合作用产生很好的协同效应,有效提高半导体材料的催化活性。不同能量激发半导体产生催化活性或多种能量与光照协同作用激发半导体产生催化活性越来越成为高级氧化技术降解污染物的重要研究方向。 1 声 光协同催化 在超声波化学氧化或超声波分解反应过程中,频率在20~1000kH z 的超声波能在水溶液中产生超声空化效应,微小的空化气泡在瞬间形成、崩破,释放出大量的能量,在空化 ! 7!光催化的辅助激发措施及其在环境治理中的应用/易志刚等

环保替代锡催化剂SICAT-03

高活性替代锡环保催化剂 SICAT-03 1、性状描述 茶黄色透明液体，密度 1.087g/cm3(25℃)，粘度3100±100mPa.s（25℃）；具特殊 化合物气味，易溶于一般聚氨酯或有机硅原料如聚醚多元醇、有机硅树脂等。 不含八大重金属、有机锡、偶氮、邻苯酸盐等有毒成分，可通过国际有毒金属限制性环保法规。 2、独特性能在催化有机硅材料固化过程中，有机锡催化剂一直占据主导地位，但有机锡毒 性和对环境的危害近年来逐渐引起重视， 其淘汰和替代工作也列入很多生产厂家的日程，同时市面上也出现了打环保擦边球的所谓 环保有机锡催化剂作为传统有毒有机锡的替代品。但因为锡金属在化学价态上的活泼性 和易变价性，致使所谓的环保有机锡的环保具有很大的不稳定性，无法确保其 100%的环 保性，更兼昂贵的价格，导致很多企业无法使用。 SICAT-03 系针对有机硅树脂和聚氨酯各种发泡产品中起凝胶作用的有机锡的淘汰和 取代而开发，具如下特性： 1）有机硅体系： 对缩聚反应催化活性高，可高效快速促进体系固化速度； 不含锡金属，环保性高，满足出口，产品使用范围广。 2）聚氨酯发泡体系： 对异氰酸酯和羟基（-OH）的催化反应具有前期平缓后期加强特点，物料流动期较长，允许有更长的起发时间； 后期更促进凝胶强度的加强。比常用有机铋催化剂活性高 3-6 倍,避免后期因催化活力不足造成的塌泡、暗泡、开裂、自结皮表皮不光亮、出模后发胀变形等情 况出现。 3、应用领域可用于各种有机硅（MS）树脂体 系、聚氨酯泡沫体系， 有机硅树脂体系推荐用于密封胶、绝缘材料等，用于生产建筑密封胶、防水材料、绝缘漆、浸渍漆等。聚氨酯泡沫体系推荐用于模塑泡沫、自结皮、RIM 微孔弹性体等 领域，用于生产童车/残疾人代步车轮胎、汽车保险杠/方向盘、扶手、座椅等等产 品。 4、使用说明 使用时加入有机硅树脂或多元醇（Polyol，P 料）组份，建议生产现场添加；若预混系统料中因配方体系千差万别需使用方自测催化剂之活性适用期， 使用量与配方有关，一般用量为 0.1～0.5% （质量份数）。平常使用时必须保证盛装本产品的容器是干净和干燥的，并保证使用后注意马上封闭罐口，避免敞开放置。 5、规格储存包装规格:25/200kg/桶。储存于干燥阴凉仓库内，避免日光照射和雨淋。不开 封保质期一年，超期后如经检验合格仍可正常使用。

环境催化与材料

环境催化与材料课程论文光电催化处理污染物的研究进展 姓名：周光红 班级：环境二班 学号：20818095 日期：二零零八年十二月三十日

目录 1、引言 (1) 2、光电催化的原理 (1) 2.1 光催化的原理 (1) 2.2 光电催化——光催化与电化学协同效应 (2) 2.3光电催化反应的影响因素 (3) 3、二氧化钛光电催化剂改性研究 (5) 3.1掺杂改性研究进展 (5) 3.1.1过渡金属的掺杂 (5) 3.1.2贵重金属的沉积 (6) 3.1.3非金属掺杂 (6) 3.2复合半导体的研究进展 (7) 3.3表面技术处理光催化半导体的研究 (7) 3.3.1表面修饰 (7) 3.3.2光敏化材料改性研究 (8) 3.4半导体的固定化技术研究 (8) 4、光电催化在水处理方面的应用研究进展 (9) 4.1.光电催化降解染料 (9) 4.2.光电催化降解甲酸 (10) 4.3.光电催化降解酚类 (10) 4.4.光电催化降解醇类 (10) 5、光电催化技术处理污染物过程中存在的问题 (11) 6、结论与展望 (12) 参考文献 (13)

1、引言 光电催化技术是一种能有效促进光生电子和空穴分离,并利用光电协同作用的增强型光催化氧化技术。长期以来,光催化技术的处理效率始终难以达到实际应用的水平,主要原因就在于光生电子和空穴的复合率高,抑制了两者同溶液中被处理物质的反应。通过外加电场促进光生电子与空穴的分离,从而提高光催化技术的处理效率。这种将光化学催化(光催化)和电化学氧化法结合起来以达到协同效应的光电结合技术称为光电催化技术,也称为“电助光催化技术”,是目前氧化法研究的新热点。 2、光电催化的原理 2.1 光催化的原理 “光催化”即意味着光化学与催化剂二者的有机结合，因此光和催化剂是引发和促进光催化氧化还原反应的必要条件。半导体材料之所以能作为光催化剂，是由于其自身的光电特性所决定的[1-3] 半导体的能带是不连续的，价带(VB)和导带(CB)之间存在一个禁带，当用能量等于或大于禁带宽度(也称带隙能，Eg)的光照射半导体时，其价带上的电子(e-)被激发，跃过禁带进入导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，形成电子—空穴对。光生空穴具有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收入射光的物质被活性氧化。而电子则是强还原剂[4]。水溶液中的光催化氧化反应，在半导体表面失去电子的主要是水分子，水分子经催化后生成氧化能力极强的羟基自由基·OH，·OH是水中存在的氧化剂中反应活性最强的，而且对作用物几乎无选择性，可以氧化各种有机物，并使之矿化。

四大催化材料简述

四大催化材料简述 08工业催化与煤化工01班何国栋0806160103 随着时代的发展，人类的进步，许多新的社会问题诸如能源、环境又出现在人们眼前。材料是一个包容万象的大学科，与人们的生活息息相关，人类要想取得更大的成就，获得更高的生活水平，我们必须在材料上有所创新，而催化剂在其中又有着举足轻重的作用，催化材料作为催化剂的主体，我们完全有必要在催化材料这个领域做深入的研究。 对现代催化材料而言，其基本分为四类：光催化材料、稀土催化材料、新型催化材料和复合催化材料。 1、光催化材料 光催化材料是由CeO 2（70%-90%）、ZrO 2 （30%-10%）组成，形成ZrO 2 稳定 CeO 2 的均匀复合物，外观呈浅黄色，具有纳米层状结构，在1000℃经4个小时老化后，比表面仍较大（>15M#G），因此高温下也能保持较高的活性。 用途:适用于高温催化材料,如汽车尾气催化剂。 技术背景：能源危机和环境问题。人类目前使用的主要能源有石油、天然气和煤炭三种。根据国际能源机构的统计，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。而太阳能不仅清洁干净，而且供应充足，直接利用太阳能来解决能源的枯竭和地球环境污染等问题是其中一个最好、直接、有效的方法。为此，中国政府制定实施了“中国光明工程”计划。它的核心就是开发高效的太阳光响应型半导体光催化剂。 光催化材料的基本原理：半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2。 高效光催化剂必须满足如下几个条件：（1）半导体适当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必 须满足产H 2和产O 2 的要求。（2）高效的电子-空穴分离能力，降低它们的复合 几率。（3）可见光响应特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能