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1、（四）以太阳能绿色化学技术的课后心得体会为构思主体，以太阳能、光化学、光催化等为关键词，自行查阅中英文文献写一篇 2000 字以上的综述性论文。要求包括题目、中英文摘要、国内外研究背景，自已对某一光化学相关领域的归纳性总结和自已的看法观点、展望等。 （80 分）多相光催化在环境污染治理中的应用摘要：随着工业的不断发展，环境污染日益严重，传统水处理工艺中的物理、生物方法不能满足水处理的需要。光催化反应的应用研究已在有机物降解、水质处理、环境保护等领域广泛展开，利用日光进行光催化反应是光催化反应应用研究的重要课题。光催化技术为彻底解决水污染问题提供了新的手段，它在环境污染治理中有广阔的应用前景。关
2、键词:光催化，环境污染前言：全球性的环境污染及生态破坏,许多有毒有害的有机污染物被水体和土壤自净的速度很慢而净化不彻底，并且在水体中存在时间长、范围广,对人类潜在影响很大, 如许多有机物或其降解的中间产物具有致癌、致畸、致突变三致性,这些有机污染物采用传统的生物处理工艺已难以去除.迫使人们对环境问题给以足够的关注, 并研究和开发出一系列用于环境污染物治理的新技术和新方法,光催化技术作为其中一种新兴的环境净化技术,其实用化的研究和开发已受到广泛的重视。1光催化氧化法处理、净化受污染水体的方法是一种高级氧化技术其研究和应用是近 30 年来迅速发展的一个新领域, 对许多有毒有害的有机污染物的处理均显
3、示出其独特的优势, 如氧化降解水体中不饱和有机化合物、芳烃、卤化烃、芳香类化合物、杂环化合物、染料、表面活性剂有机氮磷农药等. 光催化能将难降解有机污染物氧化、分解，直至 H2O、CO2 和无机盐等,使有机物部分或完全矿物 质化 (矿化) ,从而达到污染物无害化处理的要求.目前,用于光催化降解环境中污染物的催化剂多为 N 型半导型材料,如二氧化钛、氧化锌、硫化镉、三氧化钨、氧化锡、三氧化二铁等,其中二氧化钛因其活性高、稳定性好,对人体无害而成为最受重视的一种光催化剂。实验表明, 二氧化钛至少可以经历 12 次的反复使用而保持光分解效率基本不变, 连续 580 分钟光照下保持其活性,因而将其投入
4、实际应用有着广阔的发展前景。本文系统阐述纳米二氧化钛的制备、光催化净化机理、及在大气污染和水污染治理中的应用机理：二氧化钛属于一种 N 型半导体材料, 二氧化钛的禁带宽度为 3.2eV,当它的波长小于或等于 387.5nm,价带中的电子就会被激发到导带上,形成带负电的高活性电子 e-,同时在价带上产生带正电的空穴 h+(h+的氧化电位以标准氢电位计为 3.0V,比起氯气的 1.36V 和臭氧的 2.07V,其氧化性要强得多)。在电场的作用下，电子与空穴发生分离,迁移到粒子表面的不同位置。分布在表面的空穴 h+可以将吸附在二氧化钛的 OH-和水分子氧化成羟基自由基(OH)。其作用机理可用以下反应
5、式说明:2羟基自由基(OH)的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物,将其最终降解为二氧化碳、水等无害物质,为使反应体系中有足够的羟基自由基(OH)就必须防止电子和空穴的复合,因此可以在体系中额外加入一些强氧化剂作为电子受体如过硫酸钾高硫酸钾、双氧水、臭氧等能够俘获催化剂表面的电子,尽可能削弱如( 7) 所示的复合过程的进行。而另一方面二氧化钛表面高活性的电子 e-则具有很强的还原能力,可以还原除去水体中的金属离子,其过程可以表示为:Mn+ (金属离子) + ne- M0 ( 8)这里同样要考虑电子和空穴的复合问题,为此可以加入一些空穴俘获剂如甲醇,从而
6、使体系中有足够的高活性的电子 e- 。体系选用的光催化剂二氧化钛之所以为纳米级主要考虑以下两方面的影响:一方面从光催化机理上分析,物质的降解速度必然与光生载流子电子和空穴的浓度有关。而纳米级的二氧化钛随着粒径的减小，表面原子迅速增加,光吸收效率提高,从而增加表面光生载流子的浓度,另一方面催化反应的速率与物质在催化剂上的吸附量有关,随着晶粒尺寸的减小,比表面增大,表面键态和电子态与颗粒内部不同,表面原子的配位不全导致表面活性位置增多,因而与大粒径的同种材料相比,活性更高,有利于反应物的吸附,从而增大反应几率。优势和不足：由于光催化氧化法对于水中的烃、卤代有机物（包括卤代脂肪烃、卤代羧酸、卤代芳香
7、烃） 、羧酸、表面活性剂、除草剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等有机物，以及氰离子、金属离子等无机物均有很好的去除效果，一般经持续反应可达到完全无机化。所以半导体光催化氧化技术作为一种高级氧化技术，与生物法和其它高级化学氧化法相比，具有以下显著优势:3(1)以太阳光为最终要求的辐射能源，把太阳能转化为化学能加以利用。太阳光，是取之不尽、用之不竭的，因此大大降低了处理成本，是一种节能技术。(2)光激发空穴产生的OH 是强氧化自由基，可在较短时间内成功分解水中难降解有机物在内的大多数有机物，它还能分解水中微量有机物，因此是一种普遍实用的高效处理技术。(3)半导体光催化技术具有稳定性高、耐腐蚀、无
8、毒的特点，并且在处理过程中不产生二次污染，从物质循环的角度看，有机污染物能被彻底无机化，因此是一种洁净的处理技术。(4)对环境要求低，对 pH 值、温度等没有特殊要求。(5)处理负荷没有限制，即：可以处理高浓度废水，也可以处理轻微污染水源水。此外，光催化降解不仅能用于治理有机污染，而且能还原某些高价的重金属离子，使之对环境氧化稳度变小。如对含 Cr6+水的试验表明，以浓度为2g/L 的 WO3/W/Fe2O3 的复合光敏半导体为催化剂，用太阳光光照 3h，Cr6+浓度由 80 mg/L 降为 0.1mg/L，降解率达 99.9。而且，光催化净化还可用于饮用水方面，饮用水水源污染，特别是微量有机
9、物的污染，是自来水行业存在的严重问题。迄今为止，国内外饮用水去除有机物的技术均不能令人满意，尤其有机氯化合物很稳定，一般的处理方法很难去除，而应用光催化降解法，均能在短时间内降解此类难去除的化合物。目前以二氧化钛半导体为基础的光催化技术还存在几个关键的科学及技术难题，使其广泛的工业应用受到极大制约。这些问题包括： (1)量子效率低(4)。难姒处理量太且浓度高的工业废气和废水； (2)太阳能利用率低。由于二氧化钛半导体的能带结构(Eg=32eV)决定了其只能吸收利用太阳光中的紫外线部分；(3)光催化剂的负载技术。难以在既保持较高的光催化剂活性又满足特定材料的理化性能要求的前提下在不同材料表面均匀
10、、牢固地负载上光催化剂。在水污染物治理中的应用：有机废水的降解处理。二氧化钛光催化反应能有效地将染料废水、农药废水、表面活性剂、氯代物、氟里昂、含油废水等废水中的有机物降解为水、二氧化碳、磷酸根离子、硫酸根离子、硝酸根离子、卤素离子等无机小分子, 达到完全无机化的目的。王怡中等5用二氧化钛光催化降解苯酚、甲基橙,在平均照度为 92600lx 的晴天,当甲基橙溶液的初始浓度为 20mg/L,初始 pH 为 3.88时,光照 2h 后色度去除率达 90%以上,4h 后 TOC 去除率接近 70% 。孔令仁等6将二氧化钛粉末附着在海砂和玻璃表面对可溶性染料 4BS、KNB、MB 的二氧化钛光解结果表
11、明,几种染料均显著光解,而附着态二氧化钛重复使用 15 次(每次 8h)后其催化能力仅降低 17.9%。Hidaka 等对表面活性剂的降解作了系统的研究。研究结果表明,含芳环的表面活性剂比仅含烷基或烷氧基的更易断链降解实现无机化,而直链部分降解速率较慢。Kanno 等人研究说明 TiO2 对于 CFC113 的降解具有良好的光催化活性。用 TiO2/WO3 体系降解 CFC113,在 100h 内可保持催化效率高于 99.6%。吴海宝等采用开放式悬浮型光催化反应器,以太阳光为光源,利用二氧化钛进行染料的光催化氧化脱色研究结果表明,在一般晴天条件下,经过2h 太阳能辐射后,阳离子蓝 X-GRRL
12、 染料脱色率在 80%-93%之间。已有的研究结果都说明,太阳能是非均相光催化氧化降解废水中有机物的有效紫外光源,太阳能二氧化钛光催化技术是经济实用、效率高、发展前景广阔的有机废水处理技术。结语上述关键问题的根本解决有赖于深入的基础研究尤其是应用基础研究。围绕这些问题开展进一步的研究不仅可望在光催化基础理论方面获得较大的寒破，而且使光催化技术真正能在环境治理和新材料等领域得到广泛工业应用，导致许多具有自主知识产权的高新技术及产业的形成。目前国际上许多国家(特别是日本)都投入了大量的人力和物力进行该领域的研究与开发。我国也资助了数十项有关的项目其中部分项目取得了一定程度的进展，但各个项目资金很少
13、，课题分散，难以取得重大突破。特别需要国家基金委组织一个重点项目，综合物理化学和环境化学学科中光催化研究的优势力量。学科交叉、优势互补，力争在该领域的若干方面有创新性突破。并培养一批跨世纪的优秀科研人才，逐步扩大我国该领域在国际上的影响。参考文献1王光辉.纳米二氧化钛光催化技术及其在环境污染治理中的应用J.环境科学与技术,2001,98(6):16-182李宁,李光明,赵建夫.光催化氧化降解水中有机污染物的研究进展J.韶关学院学报,2003,24(12):100-102 3王凤英,王连寿,唐莉.光催化氧化处理难降解污水的应用前景J.油气田环境保护,2004,14(9):19-23 4王光辉.纳
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