光催化剂的应用及前景
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BIOTECHWORLD 生物技术世界1 引言
目前,光催化剂已应用于有机合成、催化化学、环境治理、电化学、生物医学等诸多领域,在催化化学中的应用,近年来引起了广泛关注,本文就光催化剂的诸多应用作一篇简要介绍。
2 光催化剂原理
光催化剂大多是n型半导体材料(当前以为TiO 2使用最广泛)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。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。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(e-)和空穴(h+)。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。
3 光催化剂的应用
3.1 在环境治理方面的应用
(1) 水中无机金属离子的还原:水溶液中金属离子很难除去,往往伴有二次污染,利用光催化剂还原不仅节约能源,而且还避免了二次污染。Sclafani A等[1]利用TiO 2的光催化反应将+4价的金属Pt 逐步还原成具有催化作用的单质金属微粒。其他金属如Pd、Ag、Au 等都可以得到单质金属微粒。可以将有毒物质汞、镉、铅及其氧化物等降解为无毒物质(2)水中无机非金属离子的降解:Frank [2]等研究了利用TiO 2将有毒物质CN-降解为无毒物质CO 2,N 2,NO 3-。(3)城市汽车尾气中的有害成分SO 2、H 2S、NO、NO 2等光催化降解。(4)除室内有毒气体:新装修的房子往往苯、二甲苯、甲醛等超标,可以用光催化除去[3]。
3.2 在有机合成方面[4]
Tada等人[5]利用TiO 2微粒使纯1,3,5,7-四甲基环四氧硅烷开环聚合,在催化剂表面生成聚甲基氧硅烷,这为光催化剂在有机合成方面开了先河。近些年来,光催化有机合成迅猛发展,尤其是光催化选择性氧化还原体系在有机合成,涉及到醇氧化、苯氧化、烯烃环氧化和含硝基的芳香族及CO 2的还原
3.3 在能源方面的应用
H2被誉为是最清洁的能源,而且能量高,是非常有前景的一种燃料。目前,已经可以利用光解水制得,自1972年日本学者Fujishima
[6]
首次报道利用TiO 2光催化水制的氢气以来在世界范围内引起轰
动。如能提高光催化的转化率,可以解决人类社会的能源危机。另外,TiO 2的光催化特性在太阳能电池方面也有广泛的应用前景[7]。
3.4 在医疗卫生方面的应用[8-9]
纳米TiO 2﹑﹑催化剂具有很好的抑制或杀灭细菌真菌病毒和癌细胞等作用,kikuchi等人研究了TiO 2对大肠杆菌的作用,证实了有杀菌作用。另外,研究发现TiO 2在紫外光照射下可以杀死HeLe肿瘤细胞。他们展开一系列研究,发现使用极化TiO 2微电极,可以选择性杀死肿瘤细胞。
4 光催化剂的应用前景
由于光催化反应满足低能耗,对环境友好得到了众多学者的青睐,近些年来,科学工作者对光催化反应深入研究,已取得可喜成绩,因而,光催化反应已经成为催化反应的一个重要分支。但在以下几个方面仍需进一步探索:(1)提高光催化转化率,增加其实用性;(2)加大对光解水的研究,找出高效催化剂,廉价生产氢气,解决能源问题;(3)光催化与医疗卫生的结合,实行不同领域间的合作,从根源上治愈疾病;(4)加强对催化剂的研究与开发,扩大其范围,更全面的了解光催化的反应机理。(5)寻找新的催化剂合成方法,开发新的催化剂。参考文献
[1]SclafaniA,Mozzanega M N,Herrmann J M.J Catal,1991,168(1):117.
[2]Frank S N,Bard AJ,J Am Chem Soc.1977,99(14):4467.[3]殷永泉,苏元成,由丽娜,刘翔,崔兆杰.复合催化剂对气相苯和甲苯的光催化降解研究[J].环境科学,2007,28(6):1188-1192.[4] 张楠,张燕辉,潘晓阳,付贤智,徐艺军*.光催化选择性氧化还原体系在有机合成中的研究进展[J].中国科学:化学,2011,41(7):1097-1111.
[5]Tada H,Hyodo M.Kawahara H.J Phys Chem.1991,95:10185.[6]Fujishima A,Honda K.Electrochemical Photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature,1972,238:37-38.
[7]顾修全,王波,陈凡,张家正,王明月.氧化亚铜在太阳能电池,光催化领域的研究进展[J].现代化工,2012,32(2):19-23.
[8]Fujishima A,Tryk D A,Honda K.Electrochimica Acta,2000,45:2363.
[9]Ollis D F.CRAcad. Sci. Paris, Serie IIc,Chimie:Chemistry,2000,3:405.
光催化剂的应用及前景
龚海锋
(中南民族大学 湖北武汉 430074)
摘要:光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。它作为一种绿色催化剂,近年来取得了巨大进展。推动光催化反应研﹑﹑究的巨大动力来源于清洁生产能源危机环境保护的强烈要求,以及光催化剂本身潜在的探索价值和应用潜力。
关键词:光催化 绿色化学 有机合成 医疗卫生 纳米TiO 2中图分类号:R12文献标识码:A 文章编号:1674-2060(2015)04-0157-01