太陽(yáng)能的利用一一光化學(xué)轉(zhuǎn)換
化學(xué)先生 / 2019-09-04
光化學(xué)轉(zhuǎn)換是光化學(xué)降解和光化學(xué)合成，目前研究和應(yīng)用熱點(diǎn)是有機(jī)物光化學(xué)降解領(lǐng)城。光化學(xué)降解分為直接光化學(xué)降解和光催化降解。直接光化學(xué)反應(yīng)是有機(jī)物分子直接吸收光能造成自身裂解的方式: A+hv→A•→產(chǎn)物。
1945 年Gunther發(fā)現(xiàn)，p，p＇-DDT在田間受自然光照射會(huì)導(dǎo)致p.p＇-DDT的分解。從此農(nóng)藥的直接光化學(xué)降解研究就在殺蟲(chóng)劑、除草劑及殺菌劑等各類(lèi)農(nóng)藥中展開(kāi)。利用太陽(yáng)光直接光化學(xué)降解對(duì)有機(jī)物有選擇性且效率不高，因面應(yīng)用研究較少。
TIO2光催化研究起源于1972年日本科學(xué)家Fujishima和Honda用TiO2薄膜為電極，利用光能分解水的實(shí)驗(yàn)。1976 年，J H Carry報(bào)道了TiO2光催化氧化法用于污水中PCB化合物脫氯去毒的成功結(jié)果后，半導(dǎo)體TIO2光催化技術(shù)被用于水處理領(lǐng)城的各個(gè)方面。納米TiO2以其性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、催化活性高、價(jià)廉等特性而成為較理想的催化劑，它對(duì)難降解的有機(jī)物具有很好的降解作用，能處理多種有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物，因此，具有廣閥的應(yīng)用前景。TiO2光催化反應(yīng)機(jī)理: TiO2屬于一種n型半導(dǎo)體材料，TiO2的禁帶寬度為3.2eV,當(dāng)它受到波長(zhǎng)小于或等于387. 5nm的光線(xiàn)照射時(shí)，價(jià)帶中的電子就會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶上，形成帶負(fù)電的高活性電子e-。同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生帶正電的空穴h+(h+的氧化電位以標(biāo)準(zhǔn)氫電位計(jì)為3.0V,比起氯氣的1.36V和臭氧的2.07V，其氧化性要強(qiáng)得多)形成電子-空穴對(duì)的氧化-還原體系。在電場(chǎng)的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，遷移到粒子表面的不同位置。 分布在表面的空穴h+可以將吸附在 TiO2的OH-和H2O分子氧化成羥基自由基(•OH,其標(biāo)準(zhǔn)電極電位為2. 80V)。•OH的氧化能力是水體中存在的氧化劑中最強(qiáng)的，能氧化大多數(shù)的有機(jī)污染物及部分無(wú)機(jī)污染物，將其最終降解為CO2、H2O等無(wú)害物質(zhì)，•OH甚至能夠氧化細(xì)菌體內(nèi)的有機(jī)物生成CO2和H2O。而另-方面TiO2表面高活性的電子e-則具有很強(qiáng)的還原能力，可以還原除去水體中的金屬離子。
半導(dǎo)體納米TiO2光催化的基本原理可用如下反應(yīng)式表示:
TiO2+hv →TiO2+e- +h+
h+OH- →•OH
h+ +H2O→•OH+H+
e- +02→O2-
O2- +H+→HO2•
2HO2•→O2+ H2O2
H2O2+02- →•OH+OH- +02
•OH+有機(jī)物→高活性中間體 →…→ CO2 +H2O+(HX- )
進(jìn)人20世紀(jì)90年代后，發(fā)表了很多關(guān)于TiO2光催化劑可將環(huán)境中的有害物質(zhì)分解成CO2、H2O等無(wú)害物質(zhì)的研究報(bào)告和研究成果；1997 年Goswami列舉了300種可被光催化處理的有機(jī)物。目前已有1000多家日本企業(yè)進(jìn)行光催化的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，歐美及我國(guó)很多學(xué)者也在進(jìn)行這方面的研究開(kāi)發(fā)，并取得了很好的，可實(shí)用化的研究成果。受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多種因素的制約，目前太陽(yáng)能的應(yīng)用研究還處在發(fā)展階段，但其市場(chǎng)潛力巨大。
太陽(yáng)能技術(shù)將是新能源技術(shù)的重要組成部分。隨著人們對(duì)可再生能源認(rèn)識(shí)的提高以及太陽(yáng)能市場(chǎng)的逐漸成熟，太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換以及太陽(yáng)能光電、光熱綜合應(yīng)用與建筑的結(jié)合，其應(yīng)用前景將十分廣闊。
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