黎寶仁

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TiO2光催化處理氮氧化物技術(shù)及未來發(fā)展

黎寶仁

（廣東韶科環(huán)保科技有限公司廣東韶關(guān)512026）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和人類活動過程中產(chǎn)生越來越多的廢氣，其中的氮氧化物（NOX）對人體健康和大氣環(huán)境的影響尤其嚴(yán)重。對NOX進(jìn)行有效控制需尋找切實可行的技術(shù)方法，光催化處理污染物技術(shù)是以半導(dǎo)體氧化物作為光催化劑，在可見光或紫外光等的照射下，將目標(biāo)污染物轉(zhuǎn)化或降解為無害物質(zhì)。相比起傳統(tǒng)方法，光催化技術(shù)具有能利用太陽光、能耗低、無需加入其它反應(yīng)物，無二次污染，反應(yīng)條件溫和等優(yōu)勢。本文著重介紹TiO2光催化處理NOX的技術(shù)及其發(fā)展。

光催化；氮氧化物；未來發(fā)展

1 引言

催化法是利用催化劑和反應(yīng)條件的控制，使氮氧化物經(jīng)過一系列的氧化還原等反應(yīng)轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)的方法，其中較為典型的和運用較為廣泛的是SCR和SNCR法，這兩種傳統(tǒng)技術(shù)雖然效果較好，但是催化劑價格昂貴，反應(yīng)器運行成本較高。于是關(guān)于光催化的研究逐漸展開，其中用得最多的是TiO2催化劑，TiO2性狀良好，價格低廉，穩(wěn)定性強，而且可以直接利用太陽能這種清潔能源，因此被認(rèn)為是光催化領(lǐng)域最理想的半導(dǎo)體催化劑。

2 光催化處理氮氧化物技術(shù)

2.1 光催化法處理氮氧化物原理

TiO2的頻帶隙能為3.2eV，入射光子的能量必須大于或等于這個頻帶隙能才能激發(fā)自由電子，光催化的本質(zhì)是在自然光或人工光源的作用下對半導(dǎo)體的活化。在光照下，半導(dǎo)體從光量子中吸收足夠的能量，使電子從TiO2催化劑的價帶經(jīng)過躍遷到達(dá)導(dǎo)帶，原子得到能量的激發(fā)，形成電子-空穴對。那些空穴能夠從水分子中產(chǎn)生OH·自由基，并吸附于半導(dǎo)體表面，這些活性基團(tuán)將使氮氧化物得到轉(zhuǎn)化，而電子則與氧分子形成超氧陰離子O2·-。光催化效率取決于產(chǎn)生電子-空穴對與電子-空穴對復(fù)合的速率，電子-空穴對的復(fù)合大大限制了光催化活性，因此，為了解決這個問題，一般要對TiO2進(jìn)行摻雜，使TiO2催化劑得到良好的改性效果。

2.2 光催化處理氮氧化物技術(shù)的應(yīng)用

2.2.1 固定化復(fù)合光催化劑

在實際應(yīng)用中，由于TiO2懸浮顆粒難以回收，容易造成二次污染，為滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，通常將光催化劑負(fù)載于載體上，如分子篩、陶瓷、玻璃纖維等。這些物質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性好，不會跟TiO2反應(yīng)，能夠為TiO2催化劑提供足夠的支撐面，這樣就形成了具有載體的復(fù)合型催化劑，有較好的催化效果。催化劑不僅與具有較高比表面積的物質(zhì)結(jié)合的時候效果較好，而且與孔隙率較大的物質(zhì)結(jié)合的時候，也能發(fā)揮出極佳的催化效果，而這種催化劑被稱為復(fù)合光催化劑。

2.2.2 固定化光催化膜

另一種固定化方法是將光催化劑制成膜狀或涂料的形式，再將其附著在載體表面，比如利用公路的路面或墻體作為載體制成復(fù)合型催化劑，能夠轉(zhuǎn)化氮氧化物。常用的制膜方法有溶膠凝膠法、等離子體法和浸漬提拉法等。TiO2催化膜的制備也是非常講究的一個過程，因為催化膜的催化效果與膜厚度、透明度和牢固性等均具有非常大的關(guān)系。用來制催化膜的催化劑載體可以改變TiO2催化劑的晶型，并且可通過改善TiO2的表面結(jié)構(gòu)從而改善TiO2的光催化活性。

2.2.3 流化床光催化技術(shù)

常用的流化床光催化器有兩種，分別是懸浮顆粒光催化反應(yīng)器和固定膜催化反應(yīng)器。懸浮顆粒光催化反應(yīng)器是將TiO2制作成固體顆粒，再讓這些固體顆粒與廢氣充分接觸從而將其催化轉(zhuǎn)化的方法，這種方法因污染物與催化劑的接觸面積較大而效果較好，但催化劑較難從反應(yīng)物中分離出來，在工業(yè)生產(chǎn)中這些方法會增加生產(chǎn)成本，因此使用會受到一些限制。固定膜催化反應(yīng)器是采用一些特定的方法，把TiO2催化劑穩(wěn)固地涂附在一些載體的表面上，從而制成復(fù)合型催化劑，將這些催化膜與反應(yīng)物充分接觸進(jìn)行催化反應(yīng)的方法。固定膜催化反應(yīng)器與懸浮顆粒光催化反應(yīng)器相比接觸面積較小，因此轉(zhuǎn)化效率也不高。

2.3 提高二氧化鈦光催化活性的主要途徑

從光催化處理污染物的機理分析，激發(fā)TiO2使其產(chǎn)生光催化活性需要3.2eV以上的能量，即波長范圍為小于387.5nm的紫外光部分，因此目前的光催化反應(yīng)使用的光源都是短波，而太陽能集中在波長380～780nm范圍內(nèi)的可見光區(qū)域，從目前的實際應(yīng)用的情況來說，，TiO2光催化劑難以大規(guī)模應(yīng)用是因為其禁帶寬度較寬，不能利用好可見光進(jìn)行光催化。如果把TiO2催化劑進(jìn)行改性處理，使其能夠吸收自然光波長的能量，是一個較好的選擇。

TiO2催化劑的改性，一是采用貴金屬沉積，通過貴金屬沉積與TiO2催化劑的表面作用，使其產(chǎn)生特殊的活性，更易于吸收光生電子；二是采用金屬離子摻雜，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，摻雜過渡金屬離子也能達(dá)到較好的改性效果，但摻雜的金屬離子濃度必須適中；三是非金屬離子摻雜，采用非金屬離子摻雜的原理與金屬離子摻雜有些不同，是通過取代氧空位或引入氧空位的方式使TiO2的禁帶寬度變窄，并且降低了電子-空穴對的復(fù)合幾率，因此提高TiO2對可見光的響應(yīng)范圍。

結(jié)語

本文探究了TiO2光催化處理氮氧化物的原理及應(yīng)用技術(shù)，通過催化原理和催化條件的分析，提出了提高二氧化鈦催化活性的途徑。從目前的研究進(jìn)展來看，通過TiO2催化劑的改性提高其催化活性仍然存在較大的探究空間，采用技術(shù)方法提高TiO2催化活性和其對太陽光的響應(yīng)能力，從而提高TiO2對氮氧化物催化轉(zhuǎn)化速率將是未來的研究發(fā)展方向。

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