1.光（guāng）催化機理與催化工藝

光催化（huà）降解VOCs屬於多相催化反應，是氣相反應物（VOC）與（yǔ）固（gù）相（xiàng）光催化劑的表麵進行接觸而發生在兩相界麵上的一種反應。該過（guò）程一般可分為以下六個步驟：

光（guāng）催化降解VOCs反應步驟圖

文獻中涉及較多的光催（cuī）化（huà）反應器（qì）的結構形式主要包括：平板型（xíng）、管狀、蜂窩型和光纖反應器等（děng）。下（xià）圖列舉了三種常見的反應（yīng）器形式。

三種常見光催化反應（yīng）器的結構示意圖（tú）

根據（jù）半導體的電子（zǐ）結構，當半導體（光催化劑）吸收一（yī）個能量大於其帶隙能（néng）（Eg）的光子時，電（diàn）子（e-）會從充滿的價帶躍遷到空的導帶，而在價帶留（liú）下帶正電的空穴（xué）（h+）。價帶空穴具有強氧化性，而導帶電子具有強還原性，它們可以直接與反應物作用，還可以與吸附在光催化劑上的（de）其（qí）他電子給體和受（shòu）體反應。納（nà）米光催化是利用TiO₂作為催化劑的光催化過程，反應條件（jiàn）溫和，光解迅速，產物為CO₂和（hé）H₂O或其他的離子（zǐ）如 NO^3-、PO₄^3-、Cl^-等，而且適用（yòng）範圍廣，包括烴、醇、醛、酮、氨等有機（jī）物，都（dōu）能通過TiO₂光催化清除。其機理主要是光催化劑二氧化鈦（tài）吸收光子，與表麵的水反應（yīng）產生羥（qiǎng）基自由基（jī）（•OH）和活性氧物質（•O，H₂O₂），其中羥（qiǎng）基自由（yóu）基（jī）（•OH）是光催化反應的一種主要的活性物質，對光（guāng）催化氧化起決定作用（yòng）。羥基自由基具有120kJ/mol的反（fǎn）應能，高於有機物中的（de）各（gè）類化（huà）學（xué）鍵能，如：C-C（83kJ/mol），C-H（99 kJ/mol），C-N（73kJ/mol），C-O （84kJ/mol），H-O （111kJ/mol），N-H（93 kJ/mol），因而能（néng）迅（xùn）速有效地分解（jiě）揮發性有機物和構成細菌的有機物，再加上其它活性氧物質（•O，H₂O₂）的協同（tóng）作用，其殺菌效（xiào）果更為迅速。

TiO₂的（de）帶隙能Eg=3.2eV，隻有波長小（xiǎo）於380nm的紫外光才能激發TiO₂產生（shēng）導帶電子和價帶空穴，導致VOCs的氧化分（fèn）解。光催化劑（jì） TiO₂反應（yīng）效率很高，但顆（kē）粒微小而極易流失，因此將 TiO₂ 固定在活性炭載體上解決其分離回收問題。

TiO₂光催化降解VOCs反應機理圖

2.光催化劑

VOCs光催化降解的速率主要受吸附（fù）效率和光催化反應速率的影響，具有較高吸附性能（néng）的VOCs不一定有較快的降解速率（lǜ），因此選擇光催化劑至關重要。

目前，研究（jiū）中經常采用的紫外光催化劑大（dà）多為金屬氧化物或（huò）硫化物，如TiO₂、ZnO、ZrO₂、SnO₂、WO₃、CeO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、ZnS及CdS等。其中（zhōng），TiO₂的綜合性能最好，其光催化活性高、化學性（xìng）質穩定、氧化還原性強、抗陰極腐蝕性強、難溶、無毒且成本低（dī），是研究（jiū）應用中（zhōng）使用最廣（guǎng）泛的單一化合物光催（cuī）化劑。TiO₂晶（jīng）型對（duì）催化活（huó）性的影響很（hěn）大。其晶型主要有（yǒu）三種（zhǒng）：板鈦型（不穩定）、銳鈦型（表麵對O₂吸附能（néng）力較強，具有較高活性）和金紅石型（表麵電子-空穴（xué）複合速度（dù）快，幾乎沒有光催化活性）。以一定比例共存的（de）銳鈦型和金紅石型（xíng）混晶型TiO2的催（cuī）化活性最高。其中，德國Degussa公司使（shǐ）用氣相法生產的TiO₂-P25（平均粒徑30nm，比表麵積50m²/g，30%金紅（hóng）石型，70%銳鈦型）光催化（huà）活性高，是研究中經常采用的一種光催化（huà）劑。

3.光催化氧化的特點

1)光催化氧化適合在常（cháng）溫下將廢臭氣體完全氧化成無毒無害（hài）的物質（zhì），適合處理高濃度、氣量大、穩定性強的且能吸收光（guāng）子的有毒有害氣（qì）體的廢氣處（chù）理（lǐ）。

2)光催化氧化利用人工紫外（wài）線燈管產生的真空波（bō）紫外光作為能源來活化光（guāng）催化劑，驅動氧化—還（hái）原反應，而且光催（cuī）化劑在反應過程中並不消耗，利用（yòng）空氣中的氧作為氧化劑，有效地降解有毒（dú）有害廢臭氣體成為光催化節約能源的最大（dà）特點。

3)氧化性強：半導體光催化具有氧化性強的特點（diǎn），對（duì）臭氧難以氧化的某些有機物如三氯（lǜ）甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有（yǒu）效（xiào）地加以分解，所以對難以降解的有機物具有特別意義，光催化的有（yǒu）效氧化劑是羥基自由基（OH^-）和超氧離子自由基（O^2-、O^-），其氧化性高於常見的臭氧、雙氧水、高錳酸鉀、次氯（lǜ）酸等。

4)廣譜性：光催化氧化對從烴到（dào）羧酸的種類眾（zhòng）多（duō）有機物都有效，即使對原子有機物如鹵代烴、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑也有很好的去除（chú）效果，隻要經過（guò）一定時間的反應可達到完全淨化。

5)壽命長：在理論上，光催化劑（jì）的壽命是無限長的，無需更換。

在光催化TiO₂的產（chǎn）物上一直存在（zài）爭論，不能確定中間產物是否會造成二次汙染；光催化氧化法存在著催化（huà）劑的失活、催化劑難以（yǐ）固定，且催（cuī）化劑固定後催化效率降低的缺點；對不能吸收光子的汙染物質（zhì）效果差，對於成分複雜的廢氣無法達到預期處理效果。

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