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光化学/光催化原理

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上海豫明仪器有限公司光化学反应仪半导体光催化剂大多是硫族化合物半导体(当前以为TiO2使用zui广泛)都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带(ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至zui终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。


 

光化学及光催化氧化法是目前研究较多的一项氧化技术。所谓光催化反应,就是在光的作用下进行的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射,受激产生分子激发态,然后会发生化学反应生成新的物质,或者变成引发热反应的中间化学产物。光化学反应的活化能来源于光子的能量,在太阳能的利用中光电转化以及光化学转化一直是十分活跃的研究领域。
  光降解通常是指有机物在光的作用下,逐步氧化成低分子中间产物zui终生成CO2、H2O及其他的离子如NO3-、PO43-、Cl-等。有机物的光降解可分为直接光降解、间接光降解。前者是指有机物分子吸收光能后进一步发生的化学反应。后者是周围环境存在的某些物质吸收光能成激发态,再诱导一系列有机污染的反应。间接光降解对环境中难生物降解的有机污染物更为重要。
  利用光化学反应降解污染物的途径,包括无催化剂和有催化剂参与的光化学氧化过程。前者多采用氧和过氧化氢作为氧化剂,在紫外光的照射下使污染物氧化分解;后者又称光催化氧化,一般可分为均相和非均相催化两种类型。均相光催化降解中较常见的是以Fe2+或Fe3+及H2O2为介质,通过photo-Fenton反应产生·HO使污染物得到降解,非均相光催化降解中较常见的是在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料,同时结合一定量的光辐射,使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴对,吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子-空穴作用,产生·HO等氧化性极强的自由基,再通过与污染物之间的羟基加和、取代、电子转移等式污染物全部或接近全部矿化。


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