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纳米TiO2光催化材料及其在净化大气污染中的应用

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷第5期 2007年9月 森林工程 Vo1.23 No.5 Sep.,2007 F0REST ENGINEERING 纳米TiO 光催化材料及其在净化大气污染中的应用 孙凤英,马春磊 (东北林业大学,哈尔滨150040) 摘要:纳米T 光催化技术作为一种新兴的治理污染技术,被誉为21世纪的“光净化”。介绍了纳 米Ti 光催化材料的特性、光催化反应原理以及在净化大气污染方面的应用进展。 关键词:纳米Ti02;光催化;净化大气;应用 中图分类号:0643 文献标识码:A 文章编号:1001一O05X(2007)05—0019—03 Photocatalyfic Material of Nanosized Ti02 and its Application in Air PoHufion IhJriifcation/Sm ̄Fengying,Ma Chunlei (Northeast Forestry University,Hm'bin 150040) Abstract:The photocatalytic technology of nanosized Ti02 is a new technique of pollution treatment.It is called the revolu— tion in photo—purifying of 21 st century。The characteristics of photocatlytaic materila of nanosized Ti02,the mechanism of photo— catalytic reaction,and the pmgress in its application of air purification were introduced in this paper. Key words:nanosized Ti02;photocatlysias;air puriicatfion;application 1前言 同,红金石对紫外线有良好的屏蔽作用,被应用为 防紫外材料;而锐钛型具有良好的光催化活性,因 此在治理环境污染方面展示出极为广阔的前景。 纳米级的TiO,具有大的比表面积。表面原子 近年来,纳米光催化技术已经成为世界各国科 技界所关注的焦点,作为一种具有极大市场应用潜 力的新兴科学技术,其潜在的重要性毋庸置疑。光 催化是纳米半导体独特的性能之一,这种纳米材料 在光的照射下,能把光能转变为化学能,不但能有 效地将有机污染物完全降解,还能降解一些无机污 染物;不仅能够用于处理污水,还能用于净化空气 数、表面能和表面张力随着粒径的下降急剧增加, 量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应宏观量子隧 道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和 表面稳定性等都优于常规粒子。 2.2 TiO,的光催化反应原理 中的有害气体。此外,TiO,光催化技术还具有能 耗低(能利用太阳能),可在常温常压下进行,反 应速度快,应用范围广,易于回收,无二次污染等 优点。因此,纳米Ti(),光催化材料在净化大气污 染物方面有着得天独厚的优势和广阔的应用空问。 2纳米TiO,光催化技术 2.1 TiO,的性质 根据以能带为基础的电子理论,半导体的基本 能带结构是:在一系列的满带,最上面的满带称为 价带(VB valence band);存在一系列的空带,最下 面的空带称为导带(CB conduction band);价带和 导带之间为禁带。当用能量等于或大于禁带宽度 (Eg)的光照射时,半导体价带上的电子可被激发 跃迁到导带,同时在价带产生相应的空穴,这样就 TiO,是一种多晶形的化合物,常见的n型半导 体。它在自然界中有3种结晶形态:金红石型、锐 钛型和板钛型。板钛型在自然界中很稀有,属斜方 在半导体内部生成电子(e一)一空穴(h )对。 锐钛型Ti(),的禁带宽度3.2eV,当它吸收了波长小 于或等于387.5 ITlln的光子后,价带中的电子就会 晶系,是不稳定的晶型,在一定条件下就会转化为 金红石型,因而没有工业价值。红金石型和锐钛型 被激发到导带,形成带负电的高活性电子e ,同 时在价带上产生正电的空穴 。由于半导体能带 的不连续性,电子和空穴的寿命较长,在电场的作 用下,电子与空穴发生分离,迁移到粒子表面的不 为同一晶形,都属于四方晶系,但它们的结构不 收稿日期:2OO6—12—18 基金项目:西部交通建没科技项目(200631800083) 同位置。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所捕获,也 第一作者简介:孙风英(1957一),女,辽宁省营口人,教授 研究方向:汽车运行品质控制与生态材料技术 维普资讯 http://www.cqvip.com 20 森林工程 e+02— U2 h +OH一一HO・ 第23卷 可能直接复合…。空穴和电子在半导体TiO 催化 剂粒子内部或表面光催化氧化反应机理如图1所 示。 H CO ̄,Cl-,IF 0 图1 Tio2光催化反应基本原理 空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH一或 H'O发生作用生成・OH。・OH是一种活性更高的氧 化物种,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的主要活性氧化 物种。光生电子也能够与O 发生作用生成H02・和 0'一・等活性氧类,这些活性氧自由基也能参与氧 化还原反应。 从光催化的机理来看,物质的降解速率必然与 光生载流子e一和h 的浓度有关,纳米级的TiO,随 着粒径的减小,表面原子迅速增加,光吸收效率提 高,从而增加了表面光生载流子的浓度。实验结果 表明,该物质的反应速率与其在催化剂表面的吸附 量有关【2 ,随着粒径尺寸的减小,表面原子的配位 不全导致表面活性位置增多,有利于反应物的吸 附。因此纳米级的TiO2作为催化剂有利于提高光 催化反应的效率。 3纳米TiO 净化大气污染物 3.1 NOY的净化 大气污染物中氮氧化物主要来自于汽车尾气和 工业废气等的排放。大中城市由于建筑物高、道路 狭窄、交通繁忙、拥堵严重,导致污染物密度大, 不易扩散。利用纳米TiO 光催化氧化氮氧化物, 是在紫外光照射和过量O 存在的条件下,NO的氧 化产物与水作用生成3/03一,N 一容易被植物和微 生物组织吸收,在自然界形成氮的循环。因为生成 的量很少,所以不会对周围水体和环境的pH 值造成不良影响。Komazaki等研究的NO 被光催化 剂氧化的机理如下 J: H10一H +OH— H +O2一一H02・ NO+H02。一NO2+OH。 N02+HO 一HNO3 目前,国内外大多数研究者都是将TiO 制成 薄膜(如含有TiO 的活性炭、涂料和渗透剂等) 负载在固定物上HI9 ,吸收紫外光催化氧化,与大 气中的NO 反应,对降低NO 的浓度十分有效。 实验表明,TiO 对低浓度NO 的降解效率可高达 90%以上。中山大学徐安武等直接把T 乳液涂 在反应器的表面,在紫外光照射下光催化降解 NO ,一定条件下,NO 的降解率达到97%【l。。。东 北林业大学都雪静研制了汽车尾气降解材料,将纳 米TiO 固化在水泥基表面,在氙灯的照射下,汽 车尾气中较高浓度的NO的净化效率达100%【l , 降解效果见图2。 9O 75 基6o ; e 45 } 30 } 15 ~. _,。、……… … O 1oo 2oo 3oo 40O 5oo 6oO 7oo 8oo 时问/rain 图2 NO随时间变化曲线 3.2硫化物的净化 大气中含有高浓度的S02、H2S等硫化物时会 严重影响人体健康,利用TiO 光催化所产生的活 性氧,可将这些气体氧化,生成带有SO4。一的化合 物。这些化合物积聚在催化剂表面使催化剂活性降 低,用水冲洗后,活性能够再生。古政荣等将TiO' 负载在活性炭上对初始浓度为2 000 X 10-6的}{'S 进行氧化,6 h后净化率为100%n引。袭著革等的 研究表明,组成为90%Tio2+10%金属氧化物的 光催化剂对H2s和SO2净化率分别为87%和99% 以上ll 。表1为不同组方光催化剂对}{2S和SO2的 净化率。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第5期 孙凤英等:纳米TiO纳米rri 光催化材料及其在净化大气污染中的应用 2l 表l不同组方光催化剂对H2S和S02的净化率 1985年,John等作了用碱液吸收H’s并用光 照产生H,的研究l 1。有研究表明,由于光催化分 解H2s制取H’需要的能量比分解H2O需要的少, 所以近些年来光催化分解H’s制取H2引起了人们 广泛的关注。 3.3有机污染物的净化 研究表明,烃类、醇类、醛类等绝大多数有机 物经过纳米Ti02光催化氧化后,最终都会生成c02 和H2O。以醛类中的甲醛为例进行说明。张宜恒等 利用ST—ESR方法,以紫外光为光源,纳米ZnO 为氧化剂测录甲醛的分解。在照射30 S后,CO 相 对收率为34%¨ 。杨建军等采用程序升温脱附 (TPD)和自旋俘获一电子自旋共振(ST—ESR)的 方法进行研究的试验结果表明 引,甲醛的光降解 是经过第一步氧化为HCOOH作为中间产物,最终 氧化为CO 和H O。其中,图3为对HCOOH水溶 液中加入DMPO自旋捕获剂和Pt/TiO,光催化剂组 成的反应体系,并经紫外光照射后的ESR谱。图4 为催化剂Pt/TiO,吸附空气中甲醛经紫外光照后的 TPD谱。两图证实了甲醛经光催化氧化后得的产物 为C0'。 图3含HCOOH和DMPO的Pt/Tio2悬浮体系紫外光照射5 min 后DMP0和・c02一自由基加合物的ESR谱 3.4还原C02 CO2气体是造成“温室效应”的主要原因,将 图4含Pt/Tio2上吸附HCHO经紫外光照射5 min后反应产物 的TPD谱 CO 转化还原不仅有利于消除大气温室效应,又能 合成有机燃料或其它化工中间产物,因此光催化还 原c02合成有机物对环境保护和能源利用具有重 大意义。C0'光催化还原是利用太阳光的能量去激 发电子,再利用被激发的激活电子所具有的能量使 c0’还原成为有机物。徐用军等利用Pd/TiO2光催 化还原CO 产生甲酸盐(HCO 一)取得了比较好的 效果_1 。刘亚琴等利用纳米SiO,/Ti02光催化剂, 将C0’光催化还原生成甲醇¨ 。研究结果表明, 添加氧化硅后,氧化硅和二氧化钛之间形成Si—O —Ti键,提高了锐钛型Ti0’的比表面积,且随着 含硅量的增加,SiO /TiO 的uV吸收逐步蓝移,禁 带宽度增加。还原反应结果表明,SiO,/Ti02具有 光催化还原活性,且随着含硅量的增加先增加后减 小,当si02质量分数为3.5%时,si02/Ti02复合催 化剂反应活性最强,5 h内甲醇产量可达到21.0 mg/L,并有少量甲醛生成。 4结束语 纳米光催化技术作为一门新兴的应用技术,近 些年来得到较快的发展。纳米Ti0’材料以其去除 效率高、低能耗、无二次污染、反应完全等优点, 在净化大气污染方面有着广阔的应用前景。但将纳 米光催化材料应用于改善公路交通环境空气质量的 研究还比较少。因此将纳米Ti0'光催化材料固化 在公路混凝土路面和公路附属设施表面上,依靠光 催化作用,降解汽车尾气污染物排放在空气中的有 害气体,将会成为下一步研究的工作内容。可以预 见,纳米材料为今后治理公路交通生态环境,实现 公路交通运输的可持续发展将会产生深远的影响。 (下转第70页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 70 森林工程 第23卷 提出清洁化生产工艺系统的设计指南,从而使采伐 运输作业系统中的人一机一环境达到协调状态,保 证生态和环境效益。 3.5建立生态采运工业园 按照生态工业园的模式,以生态采运系统为核 心,建立生态采运工业示范园区,其中包括苗圃、 采伐区、加工区、贮存区、运输网、旅游区、生活 区等,甚至包括微生物、药材、野生动植物、多种 .【参考文献】 [1]徐庆福.论森林工程与森林可持续经营[J].森林工程, 2OO6.22(4):7—9. [2]李文彬,赵广杰,殷 宁.林业工程研究进展[M].北京: 中国环境科学出版社,2005. [3]赵 尘.林业可持续发展技术的新进展[J].森林工程, 2001,17(4):l一3. [4]WangLihai.Effects of slash disposalmethods Onthephysical and chem・ ical properties of soil On tIle harvested sitse in northeast Claim【J J. SCIENTIA SILVAE SINICAE,2002,38(6):87—92. 经营等综合利用等,实现区内物质、能源、信息流 动的最佳化,实现清洁化生产和可持续经营。这样 的生态采运工业园可作为林业生态工业园,对生态 型林业生产和资源开发利用起到示范作用。 4结语 [5]张正雄,周新年,高山,等.皆伐作业对林地土壤因子的影 响[J].安全与环境学报,2OO4,4(4):35—37. [6]戚春华,朱守林,王效亮,等.森林生态采伐评价研究[J]. 内蒙古农业大学学报,2003,24(2):15—18. [7]邓南圣,吴峰.工业生态学一理论与应用[M].北京:化 (1)工业生态学按生态学理论看待、理解、分 析、构建、调整工业体系,并已形成工业代谢分 析、生命周期评价、清洁生产、物质减量化、工业 生态园等较完备的研究方法。 (2)当前的生态采运研究急需先进理论和方法 的指导。工业生态学为我们提供了较理想并且操作 学工业出版社,2OO2. [8]于秀娟,孙晓君,田 禹,等.工业与生态[M].北京:化 学工业出版社,2O03. [9]姜新波,刑力平,赵辉,等.伐区清洁化生产的实施方法及 理论[J].森林工程,2OO0,16(6):6—8. 1 10J J0l】ni K,Margareta W,Ilkka S.Industrial ecosystem in tIle Finnish forestindustry:usingthemateril and eneragyflowmodel of aforestecO- .性强的理论和方法。借助工业生态学,生态采运研 究将会走出一条创新之路。 (上接第2l页) system in a forest industry system lJ J.Ecological Economics.2001, 39(1):l45一l61. [责任编辑:胡建伟】 [9]Isao N,Nobuaki N.Role ofoxygen vacancyintheplasmatreatdTi02e photocatlaysiswith visiblelightactivityforNO removal[J J.Journal 0f 【参[1]刘守新,刘考文献】 Molculear Catalysis,2OOO,161(1—2):205—212. 鸿.光催化及光电催化基础与应用[M].北京: [1O]徐安武,刘汉钦.NO 气相光催化氧化降解研究[J].高等 学校化学学报,2000,21(8):1252—1256. 化学工业出版社,2006. [2]张立德,牟季美.纳米材料学[M].沈阳:辽宁科学出版利, 1994. [11]都雪静.汽车尾气降解材料测试室研究设计[D].东北林业 大学硕士学位论文.2005,5. [12]古政荣,陈爱平.空气净化网上光催化剂和活性炭相互增强 净化能力的作用机理[J].林产化学与工业,20O0,20(1): 6一lO. [3]Keiji H,Kazuhiko W.Photocatlaytic oxidation of nitrogen monoxide over titamum(Ⅳ)oxide nanecrystals large size aie's[J].Jouranal of Photochemistry and Photobiology,2000,136(1—2):103—109. 14J Lee S C.Combination effcte of activatd carebon with Ti02 for the pho- [I3]袭著革,李宫贤.复合纳米Tj 净化典型室内空气污染物初 步研究[J].中国环境卫生,2003,6(1—3):121—124. [14]John H K,Joseph E F.Photchemeiela production of hydrogen from hydrogen sulifde[P].United States Patent:4 610 766,1986一o9. [15]杨建军,李东旭.甲醛光催化氧化的反应机理[J].物理化 学学报,2001,17(3):278—281. todegradatin of obinary lutants at typical indoor air level_J_.Jour- nal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry.2OO4,161(2 —3):131—140. [5]祝静艳,曾玉燕.弱紫外光下NO 气相光催化氧化研究[J]. 中山大学学报(自然科学版),2001,40(6):3l一34. [6]徐险峰,唐志列.用纳米级二氧化钛催化降解室内污染气体的 实验[J].广州环境科学,2002,17(3):27—28. [7]Ichiura H,Kitcka aT.Photocatlaytic oxidation of NOx using composite sheets containing TiO2 and a metla compound[J].Chemosphere, 2003.51(9):855—860. [16]张宜恒,陈琦.甲醛光催化氧化的ESR研究[J].化学物 力学报,1998,l1(5):460—464. [17]徐用军,刘长江.钯,二氧化钛光催化还原二氧化碳为甲酸盐的 研究[J].松辽学刊(自然科学版),1995,7(3):l6一 . [18]刘亚琴,徐耀.co2在纳米s ,Ti 悬浮体系中的光催化 [8]Daltn Jo S,Janes P A,et a1.Photocatalytic oxidation of NO gases usingTi02:a sllrfaee spectroscopic approach[J].Environmentla Pol— lution,2O02.120(2):415—422. 还原[J].化学学报,2006,64(6):453—457. [责任编辑:肖生苓】 

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