光催化淨化技術主要是利用光催化劑二氧化鈦(TiO2)吸收外界輻射的光能，使其直接轉變為化學能。當能量大于禁頻寬度的光照射半導體時，光激發電子躍遷到導帶，形成導帶電子(e-)，同時在價帶留下空穴階(h+)。由於半導體能帶的不連續性，電子和空穴的壽命較長，它們能夠在電場作用下或通過擴散的方式運動，與吸附在半導體催化劑粒子表面上的物質發生氧化還原反應，或者被表面晶格缺陷俘獲。空穴和電子在催化劑粒子內部或表面也能直接複合，空穴能夠同吸附在催化劑粒子表面的HO-或H2O發生作用生成自由基HO・，HO・是一種活性很高的粒子，能夠無選擇的氧化多種有機物並使之礦化。
基本介紹
- 中文名：光催化淨化器
- 外文名：photocatalytic purifiers
- 性質：科學
- 領域：建築環境學
反應機理,光源,反應器形式,
反應機理
光催化反應的本質是在光電轉換中進行氧化還原反應。根據半導體的電子結構，當半導體（光催化劑）吸收一個能量大於其帶隙能（Eg）的光子時，電子（e-）會從價帯躍遷到導帶上，而在價帶上留下帶正電的空穴（e-）。價帶空穴具有強氧化性，而導帶電子具有強還原性，它們可以直接與反應物作用，還可以與吸附在光催化劑上的其他電子給體和受體反應。例如空穴可以使氧化，電子使空氣中的O2還原，生成H2O2、·OH基團和・H2O，這些基團的氧化能力都很強，能有效地將有機污染物氧化，最終將其分解為CO2、H2O，達到消除VOCs的目的。
一般採用納米半導體粒子為光催化劑，這是因為：①通過量子尺寸限域造成吸收邊的藍移；②與體材料相比，量子阱中的熱載流子冷卻速度下降，量子效率提高；③納米TiO2所具有的量子尺寸效應使其導電和價電能級變成分立的能級，能隙變寬，導電電位變得更負，而價電電位變得更正，這些使其具備了更強的氧化還原能力，從而催化活性大大提高；④納米粒子比表面積大，使粒子具有更強的吸附有機物的能力，這對催化反應十分有利，粒徑越小，電子與空穴複合幾率越小，電荷分離效果越好，從而提高催化活性。
光源
由於光催化發生的條件是：hv≥Eg，h是普朗克常數，為6.626 ×10-27J·s，v是輻射光頻率，Eg是半導體材料價帶和導帶之間的能級差。可見，較高頻率的輻射易產生催化反應。對TiO2，Eg =3.2eV，因此，一般在紫外線光照射下光催化反應才能進行。
光催化反應器中採用的光源多為中壓或低壓汞燈。如前所述，紫外光譜分為UVA（315～400nm）、UVB（280～315nm）和UVC（100～280nm）。殺菌紫外燈波長一般在UVC波段，特別在254nm。在套用中採用所謂黑光燈（black light lamp）和黑光藍燈（blacklightbluelamp）效果較好，其輻射波長在UVA波段。185nm以下的輻射會產生臭氧，而上述兩種燈的輻射在240nm以上，故不會產生臭氧。
反應器形式
光催化反應器形式為：流化床型、固定床型和蜂窩結構型等。固定床具有較大連續表面積的載體，將催化劑負載其上，流動相流過表面發生反應。流化床多適合於顆粒狀載體，負載後仍能隨流動相發生翻滾、遷移等，但載體顆粒較TiO2納米粒子大得多，易與反應物分離，可用濾片將其封存在光催化反應器中而實現連續化處理。蜂窩狀反應器流動阻力小，最有套用前景，當前市售的納米光催化反應器多為此種形式。
當前，制約光催化獲得大規模套用的瓶頸問題是：①會產生有害副產物；②性能會衰減較快—俗稱材料“中毒”或老化；③光催化淨化效率不高；④耗能較高。
