TiO2光电催化水处理技术研究进展

［4， =］ 用等 。尽管做了上述种种努力， 所报道的 $%&’ 光催化水处理过程的量子效率仍然很低。这说
明简单复合没有被有效阻止。 实际上， 当 光 激 活 的 半 导 体 微 粒 浸 泡 在 含 有 氧 化 还 原 电 对 组 分 的 电 解 液 中 时， 所形成的 能使光生电子和空穴以电迁移的方式向相反的方向移动， 实现分离， 其中一部 >?0@AAB6势垒的电场， 分可在简单复合之前抵达半导体表面进行化学复合。此时， 电解液中的被激活半导体恰是一短路 的微型电化学槽。这自然会使研究者们联想到用电化学方法了解半导体在光降解过程中的表面特 性和反应机理的细节。这种研究在数年内发展成为一种电化学辅助的光催化方法， 或称光电催化 方法。若把表面覆盖 $%&’ 薄膜的导体作为光阳极， 且另设一惰性电极， 在外加电场的作用下半导 体内光生电子和空穴 （载流子） 会被更加有效的分离， 这一电场增强效应明显地减少了简单复合。
［!! " !)］ 、 国外从上世纪 -* 年代初即开始了光电催化降解水中有机污染物的研究工作， .%/0120345
分别研究了光电催化对 8, 6%7 !8 、 69::9574/ !; 等先后采用溶胶,凝胶法在导电玻璃上制得光电极， 氯苯酚、 甲酸、 对苯二酚等的降解过程， 考察了膜厚、 偏压、 氧气、 无机电解质对光电催化降解有机物 的影响。结果表明光电催化反应的降解速率随 $%&# 膜厚、 偏压增加而增加， 氧与无机电解质的存 在与否对光电催化反应没有明显影响。 69::9574/ 还指出有机质的吸附是决定光催化降解速率的 一个重要参数， 并有许多作者考察了有机分子在 $%&# 表面的吸附问题。
［!E］ 的降解率。姚清照等 先在石英玻璃上涂上铟锡氧化物涂层制得导电玻璃， 再用溶胶,凝胶法制备
纳米结构 $%&# 膜及光透电极， 并以此作为工作电极和光催化剂， 研究了光电催化方法对水溶液中
［!C］ 染料的降解效果， 分析了温度、 初始浓度、 外加偏压等工艺因素对光电催化降解的影响。戴清等
以 $%&# 粉末 （F92G::4 <#;） 为原料， 用涂膜法制备了具有多孔微结构的 $%&# 薄膜光电极， 同样采用 三电极体系施加 *B+. 偏压处理含氯苯酚， 并考察了不同偏压和光强条件对降解速率的影响。
处理技术研究进展情况学反应工程和水处理研究。 男， %( 岁，
国家自然科学基金资助项目 （&$$$)$**） &$$&+$)+$% 收稿， &$$&+*$+&’ 修回
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化学通报
’88C 年 第 7 期
・ C8+ ・
光激活半导体 （通常使用 !"#& ） 价带上的光生空穴， 在水中产生氧化能力极强的氢氧自由基， 可 使水中难于降解的有机污染物完全矿化， 且作用物几乎无选择性， 降解过程可在常温常压下进行， 加之该法毋须添加化学试剂， 无二次污染， 故成为当前水净化技术在国内外的研究前沿和开发热
［* O *$］ 。 点
迄今为止， 大量研究揭示出该过程的主要问题之一是量子效率太低。近年来有研究者采用电 化学辅助的光催化方法 （或称光电催化方法） 阻止光生电子和空穴发生简单复合以提高量子效
［** O *P］ 。实验证明： 使用 !"#& 光电极可显著提高过程的量子效率， 同时具有增加半导体表面・#, 率 ［&$ O &%］ 的生成效率和取消向系统内鼓入电子俘获剂 #& 的两大优点 。本文就近年来 !"#& 光电催化水
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化学通报
&$$% 年 第 ( 期
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!"#! 光电催化水处理技术研究进展
郝晓刚 李一兵 樊彩梅 孙彦平
（太原理工大学洁净化工研究所 太原 $%$$&’）
摘
要
通过施加外部偏压减少光生 !"#& 光电催化水处理是一种电化学辅助的光催化反应技术，
电子和空穴的复合， 从而提高其量子效率使有机污染物彻底矿化。本文综述了 !"#& 光电催化的机理、 研究进展， 反应器开发、 设计、 模型化等方面存在的问题及今后深入研究的方向。 关键词 !"#& 光电催化 废水处理
［’+ : ’*］ 。较早发表的研究工作大多选用商品 $%&’ 微粒作为光催化剂， 所 二者均有利于提高量子效率
需要的电子俘获剂由连续鼓入的 &’ 气提供， 鼓氧还促进了传质过程。该系统的主要优点是反应比 表面积大， 其严重的缺点是悬浮液中的催化剂微粒很难分离且易中毒， 因而难以成为一项实用的技 术。为了提高光催化效率， 开发更为高效实用的光催化反应器， 不少学者把注意力转向固定态 $%&’
［!+］ 符小荣等 采用溶胶,凝胶技术， 采用玻璃和镀 <= 的玻璃片作为衬底， 制得了 $%&# > 玻璃和
［ ］
［ ］
分别以上述制得的薄膜电极为工作电极， 以 <= 片作为对电极， 饱和甘汞电 $%&# ><=> 玻璃薄膜光电极， 作为参比电极， 加上 ( *BC. 偏压及紫外光照射处理生物染色剂丽春红 D， 实验结果表明， 极 （ ?@A） 加偏压时该染料溶液的降解率高于不加偏压时 $%&# ><=> 玻璃薄膜的催化活性高于 $%&# > 玻璃薄膜，
・ )*C ・
化学通报
#**) 年 第 ; 期
L==3： >>MMMN LO=PN 0K2
［!! " #!］ 国内外的实验证明 ： 使用 $%&# 光电极可显著提高过程的量子效率。此外， 这种光电化学
系统还具有另外两个突出优点， 一是把导带电子的还原过程同价带空穴的氧化过程从空间位置上 分开 （与半导体微粒相比较） ， 结果大大增加了半导体表面 ・ &’ 的生成效率且防止了氧化中间产物 在阴极上的再还原。二是由于导带电子被引到阴极还原水中的 ’ ( ， 因此不需要向系统内鼓入作 为电子俘获剂的 &# 气。由于上述优势， 光电催化技术的研究工作在各个领域都得到了迅速发
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［’3］ 且价廉易得。因此， 自 )*+’ 年 ,-.%/0%12 等发现光照 $%&’ 半导体电极具有分解水的功能 ， 特别是 ［’7， ’4］ ， )*+4 年 #256 等陆续报道了在紫外光照射下 $%&’ 水体系可使各种难降解有机化合物降解以来
光催化作为一种水处理的方法引起了广泛的重视。’8 多年来， 各国的环境工作者在这一领域进行 了广泛而深入的研究， $%&’ 光催化氧化过程已成为当今国内外水深度净化处理技术的研究热点。 而这一过程的主要问题是量子效率太低， 通常仅 大量的研究关注于提高 $%&’ 光催化的效率， 在百分之几的数量级上， 只有少数研究例外。低量子效率以及与此相关的慢降解速率是该技术被 广泛应用的最大障碍。光激活半导体导带上的光生电子和价带上的光生空穴， 除分别与催化剂表 面吸附中心上吸附态的电子给予体 （(’ & 或 &( 9 ） 和电子接受体 （通常为溶解在水中的 &’ ） 进行化 ・&’ 等自由基外， 总会发生简单复合。反应与复合的竞争， 决定了过程的量 学反应， 生成 ・&( 以及 子效率。可见提高量子效率的根本途径在于阻止光生电子和空穴发生简单复合。 高纯度的 $%&’ 可减少有杂质中心形成的简单复合中心的密度， 超细的粒径可具有尺寸效应，