1.光催化機理與催化（huà）工藝

光催化降解VOCs屬於（yú）多相催（cuī）化反應（yīng），是氣（qì）相反應物（VOC）與固相光催化劑的表（biǎo）麵進行接觸而發生在兩相界麵上的一種反應。該過程一般可分為以下（xià）六個步驟：

光催化降解VOCs反應步驟圖

文獻（xiàn）中涉及較多的光催化反應器的結構形式主要包括：平板型、管狀（zhuàng）、蜂窩型和光纖反應器等。下圖列舉（jǔ）了三種常見的反應器形式。

三種常見光催（cuī）化反應器的結構示意圖

根據半（bàn）導體的電子結構，當半導（dǎo）體（光（guāng）催（cuī）化劑）吸（xī）收一個能量大於其帶隙能（Eg）的光子時，電子（zǐ）（e-）會從充滿的價帶躍遷到空的導帶，而在價帶留下帶正電的空穴（h+）。價帶空穴具有強氧化性，而導帶電子具（jù）有強還原性，它們可（kě）以直接與反應物作用，還可以與吸附在（zài）光催化劑上（shàng）的其他電子給體和受體反應。納米光催化是（shì）利用TiO₂作為催化劑的光催化過程，反應條件溫和（hé），光解（jiě）迅速，產物為CO₂和H₂O或其他的離子如 NO^3-、PO₄^3-、Cl^-等，而且適用範圍廣，包括烴、醇、醛（quán）、酮、氨等有機物，都能通過TiO₂光（guāng）催（cuī）化清（qīng）除。其機理主要是光催化劑二氧化鈦（tài）吸收光子，與表麵的水反應產生羥基自由基（•OH）和活性氧物質（•O，H₂O₂），其中羥基自由基（•OH）是光催化反應的一種主要的（de）活性物質，對光催化氧化起決定作用。羥基自由基具有120kJ/mol的反應能，高於有機物中的各類化學（xué）鍵能，如（rú）：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（ér）能迅速有效地分解揮發性有（yǒu）機物和構（gòu）成細菌的有機（jī）物，再加上（shàng）其它活性氧物（wù）質（•O，H₂O₂）的協同作用，其殺菌效果更為（wéi）迅速。

TiO₂的帶（dài）隙能Eg=3.2eV，隻有波（bō）長小於380nm的紫外光才能激發TiO₂產生導（dǎo）帶電子和價（jià）帶空穴，導致VOCs的氧化分解。光（guāng）催化劑 TiO₂反應效（xiào）率很高，但顆（kē）粒微小而極易流失，因此（cǐ）將 TiO₂ 固定在活性炭載（zǎi）體上解決其分離回收（shōu）問題。

TiO₂光（guāng）催化降解VOCs反應機理圖

2.光催化劑

VOCs光催化（huà）降解的速（sù）率主（zhǔ）要受吸附效（xiào）率和光催化反應速率的影響，具有較高吸附性能的VOCs不一定有較快的降解速（sù）率，因此選擇光催化劑（jì）至關重要。

目前，研究中經常采用的紫外光催化劑大多為金屬氧化物或硫化物（wù），如TiO₂、ZnO、ZrO₂、SnO₂、WO₃、CeO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、ZnS及CdS等。其中，TiO₂的綜合（hé）性能最好，其光催化活性高、化學（xué）性質穩定、氧化還原（yuán）性強、抗陰極腐蝕性強、難溶、無毒（dú）且成本低，是研究應用中使用最廣泛的單一化（huà）合物光（guāng）催化劑。TiO₂晶型對催（cuī）化活性的影響很大。其晶型主要有三種：板鈦型（不穩（wěn）定）、銳鈦型（xíng）（表麵對O₂吸附能力較強，具有較高活性（xìng））和金紅石型（表麵電子-空穴複合（hé）速度快（kuài），幾乎沒有光催化活性）。以（yǐ）一定比例（lì）共存的銳鈦型和金紅石型混晶型TiO2的催化活性最高。其中，德國Degussa公司使用氣（qì）相法生產的TiO₂-P25（平均粒徑30nm，比（bǐ）表麵積50m²/g，30%金紅石型，70%銳鈦（tài）型）光催化活性高（gāo），是研究中經常采用的一種光催化劑。

3.光催化氧化的特點

1)光（guāng）催化氧化適合在常溫下將廢臭氣體完全氧（yǎng）化成無（wú）毒無害的物質，適合處理高濃度、氣量大、穩定性強的且能吸收光子（zǐ）的有毒有害氣體的廢氣處理。

2)光催化氧化利用人工紫外線燈管產生的真空波紫外光作為能源來活化光催化劑，驅動氧化—還原反應，而且光催化劑（jì）在反應過程中並不（bú）消耗，利用空氣（qì）中的氧作為氧化劑，有效地降解有毒有害廢（fèi）臭氣體成（chéng）為光催化節約能源（yuán）的最大特點。

3)氧化性強：半導體光催化具有（yǒu）氧化性強的特點，對臭氧難以氧化（huà）的某（mǒu）些（xiē）有機物如三氯甲烷、四氯（lǜ）化炭、六氯苯、都能有效（xiào）地加以分解，所以對難（nán）以降解（jiě）的有機物具有特別意義，光催化的（de）有效氧化劑是羥基（jī）自由基（OH^-）和超氧離子自由基（O^2-、O^-），其氧化（huà）性高於常見的臭氧、雙氧水、高錳（měng）酸鉀、次氯（lǜ）酸等。

4)廣譜性：光催化氧化對從烴到（dào）羧酸的種類眾多有機物都有效，即（jí）使對原子（zǐ）有機物如鹵代烴、染料、含氮有（yǒu）機物、有機磷殺蟲劑也有很（hěn）好的去除效果，隻要經過一定時間的反應可達到完（wán）全淨化。

5)壽命長：在（zài）理論上，光催（cuī）化劑的（de）壽命是無限長的，無需更換。

在光催化TiO₂的產物上一直存（cún）在爭論，不能確（què）定中（zhōng）間產物是否會造成二次汙染；光催化氧化法存在著催（cuī）化劑的失活、催化劑難以固定，且催化劑固定後催化效率降（jiàng）低的（de）缺點；對（duì）不（bú）能吸收光子的汙染物質效果差，對於成分（fèn）複（fù）雜的廢（fèi）氣無法達到（dào）預期（qī）處理效果。

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