光催化標記

光催化標記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。

基本介紹

• 中文名：光催化標記
• 作用：催化作用
• 激發：光子
• 類型：化學物質的統稱

氧氣的吸附及其影響

氧在光催化過程中的吸附(脫附)以及進一步的反應也是研究的一個重要方面。作為反應物之一，氧的存在可能會影響鹵代烴氣相光催化降解反應速率和轉化率、反應產物和中間體的分布甚至反應機理。一般認為，表面吸附的氧能有效的捕集導帶電子，從而抑制電子和空穴的重組，提高反應的量子效率。

Beck等利用AES和TPD研究了O2在金紅石型TiO2表面的吸附，發現O2在164K、416K和445K三處各有一個脫附峰，同位素標記實驗則發現在500K可檢測到7%的晶格氧。而對O2在銳鈦型TiO2表面的吸附研究只觀察到180K的吸附峰。

Pichat等通過測量催化劑的光電導(σ)來研究半導體表面載流子與吸附物種的相互作用。在氧氣分壓較低時，σ與氧氣分壓的－1次方成正比，意味著O2-的形成；當氧氣分壓較高時，σ與氧氣分壓的－0.5次方成正比，則表明O-或O2-的形成。

Anpo等的研究表明催化劑表面氧的吸附可明顯增強能帶彎曲，很好的抑制電子和空穴的重組。Gerischer和Heller認為在半導體的PCO過程中，電子向氧的轉移可能是速率控制步驟。光催化標記

溫度和光強等因素的影響

和其他光化學反應一樣，光催化反應對溫度的變化並不敏感，因為象吸附、脫附這樣對溫度依賴性強的步驟並不是速率控制步驟。大多數氣相光催化反應都是在常溫下進行。Anderson等研究了TCE在TiO2表面的降解，發現隨著溫度的變化(23－62°C)，反應速率基本保持不變。

至於光強對反應速率的影響，一般認為光強較低時反應速率與光強的平方根成正比，光強較高時反應速率與光強成正比。

結論及展望

研究表明，半導體氣相光催化反應是一種理想的污染治理技術，在環境監測和污染防治領域有著越來越廣闊的套用前景。

尚須解決的問題有：a、建立一個統一的標準以便於進行比較和評價(如催化劑反應活性的評價和反應機理的研究)；b、反應機理的進一步探討；c、反應動力學的研究，尤其是水蒸氣和氧氣的吸附、對反應的影響以及作用機理；d、拓寬催化劑的光回響範圍，使反應能在更溫和的條件下進行(如在日光照射下進行反應)；e、反應器的改進和反應條件的最佳化，做到節能降耗，並便於放大和在實際中的套用。

7 參考文獻

Hoffmann M R,Martin S T,Wonyong Choi et al. Environmental Application of Semiconductor Photocatalysis.Chem.Rev.,1995,95(1):69-96

Peral J,Domenech X and Ollis D F.Hetergeneous Photocatalysis for Purification,Decontamination and Deodorization of Air. J.Chem.Technol.Biotechnol.,1997,70:117-140

dibbleL A and Raupp G B.Kinetics of the Gas-solid Hetergeneous Photocatalytic Oxidation of TCE by near UV Illuminated Titannium dioxide.J.Catal.Letters,1990,4:345-348

Driessen M D and GrassianV H. Photooxidation of TCE on Pt/TiO2.J.Phys.Chem.,B 1998,102:1418-1423

孫奉玉，吳鳴，李文釗等.二氧化鈦的尺寸與光催化活性的關係.催化學報,1998,19(3):229-233

Choi C,Termin A and Hoffmann M R.The Role of Metal Ion Dopants in Quanyum-sized TiO2.J.Phys.Chem.,1994,98(51):13669-13679

張彭義，余剛，蔣展鵬.半導體光催化劑及其改性技術進展.環境科學進展,1997,5(3):1-10

Phillips L A and Raupp G B.Infrared Spectroscopic Investigation of Gas-solid Hetergeneous Photocatalytic Oxidation of TCE.J.Mol.Catal.,1992,77:297-311

Anderson M A,Nishida S Y and Cervera-March S. Photodegradation of TCE in the Gas Phase Using TiO

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。

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，用於環境淨化，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。

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，故已開發國家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，從而從巨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套用，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世紀太陽能利用計畫的重要組成部分。

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。