光化学反应器之光催化的历史以及研究方向

郑州长城科工贸有限公司

2023/05/23 14:48

什么是光催化

一般说来，催化分为均相催化、多相催化和酶催化，而光催化是多相催化的一个分支。光催化是利用光能进行物质转化的一种方式是物质在光和催化剂共同作用下所进行的化学反应。光催化是催化化学、光化学、半导体物理、材料科学、环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。

光化学反应器

光催化的发展历史

1967年，硕士一年级的Fujishima在 Honda指导下开始实验，发现在紫外光照射下，TiO₂电极可以将水分解为氢气和氧气，即 “本多-藤岛效应 ”（ Honda-Fujishima Effect）。1972 年，他们将这一现象发表在 Nature上、揭开了多相光催化新时代的序幕。

1976年，Carey等发现TiO₂在紫外光条件下能有效分解多氯联苯，被认为是光催化技术在消除环境污染物方面的创造性工作，继而进一步推动了光催化研究热潮。且 1983年起，A.L.Pruden和D.Follio发现烷烃、烯烃和芳香烃的氯化物等一系列污染物都能被光催化降解掉，扩大了光催化在环境领域的应用。

1977年， Yokota T等发现在光照条件下、TiO₂对丙烯环氧化具有光催化活性，拓宽了光催化的应用范围，为有机物合成提供了一条新的思路。经过几十年的发展，光催化在污染物降解、重金属离子还原、空气净化、CO₂还原、太阳能电池、抗菌、自清洁等方面受到广泛应用研究，是国际上热门研究领域之一。

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光催化反应机理

(Ⅰ)当入射光能量hv不小于禁带宽度 Eg时，价带上电子 e-吸收光能跃迁至导带，同时价带上产生空穴 h+；
(Ⅱ)产生的e-、h+在电场或者扩散作用下分别迁移至半导体表面；
(Ⅲ) 具有还原能力的e-与具有氧化能力的h+与吸附在半导体表面上的物质发生氧化还原反应，比如污染物降解、水分解制氢气等。

光催化的研究方向

1）水污染治理
随着工业化和现代化的不断发展，环境污染问题日趋严重，水污染是其中重中之重。相比传统水污染治理方法，光催化法绿色环保、无二次污染。除了常见的各种染料，如亚甲基蓝 (MB)、罗丹明B(RhB)、甲基橙(MO)等，其他无色的污染物，比如苯酚、双酚A(BPA)，或者各种抗生素农药等都可以降解掉。此外，光催化还可以将水体中的有毒重金属离子，如 Cr ⁶⁺、 Pt⁴⁺、 Au³⁺等还原为低价离子，减弱其毒性。

2）水分解
传统的化石能源储量有限，且燃烧后会造成温室效应和环境污染，如何制造清洁可再生能源是研究热点。利用光催化将水分解为 H₂ 和 O₂，用氢能源取代化石能源，生态环保、成本低。但目前产氢效率还比较低，距离实际工业化应用还有很长的路要走。

3）CO₂还原
随着大气中CO₂ 浓度不断增加，温室效应越发明显，极端气候频发，如何降低大气中CO₂含量是亟待解决的重大问题。利用光催化技术，将 CO₂还原为甲烷、甲醇、甲酸等有机化合物，具有很高的应用价值。

4）空气净化
空气中含有的污染物主要有氮氧化物 (NO₂， NO等)，硫氧化物 (SO₂ ， SO₃等 ) ，各种挥发性有机化合物(甲苯、苯、二甲苯、乙醛、甲醛等 )。目前处理空气污染常见方法为物理吸附或者借助贵金属降解，物理吸附适用面广，但只适合于浓度较高污染物；贵金属降解成本高，且条件苛刻，耗能高，效率低，只适用于有经济条件的工厂。光催化作为一种新型的绿色环保技术，成本低，适用面广，显示出广阔应用前景。

5）抗菌
抗菌材料分为有机和无机两类，而有机材料抗菌性弱、耐热性差、稳定性较差等特点限制了其使用，并逐渐被无机抗菌材料取代，而负载有银、铜等金属离子的无机杀菌剂能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分，如内毒素。而TiO₂等光催化剂不仅能杀死细菌，还能彻底降解有毒组分。

6）有机合成
传统有机合成经常使用到有害有毒或者危险试剂，且一些反应条件苛刻，而光催化有机合成反应条件温和，具备高选择性，简单环保，成为有机合成研究热点。目前，光催化在有机合成中的应用有：
(1) 醇、胺、烯烃和烷烃的氧化或芳香族化合物羟基化反应；
(2) 用亲核试剂活化、官能化α-C-H键以构建新的 C-C 或 C-X(X=O，N或S)键；
(3) 将硝基苯还原成氨基苯或偶氮苯等等。

当然，光催化的研究方向绝不止上面提到的这些，比如自清洁、太阳能电池等等。总而言之，光催化是一个充满朝气与挑战的领域，其中一些技术能实现大规模生产和应用的话，将对人类生活带来莫大的改善。

光催化反应器生产厂家

郑州长城科工贸有限公司隆重推出光催化反应器，该仪器有反应温控可调、内部空间有多种组合方式、有多种光源选配、光照强度可测、实验过程可观测等优点，提供多种实验场景模拟，为光催化反应提供便利实验条件。

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