第四部分
纳米光催化技术的实际应用
光催化的理论研究极大推动了光催化空气污染控制技术的发展 及应用，目前纳米光催化技术在气相体系的反应器构建、催化 剂固载、大型净化工程方面的专利申请及应用案例越来越多，
具有潜在优势及市场前景。
纳米光催化技术的实际应用
纳米 TiO2光催化剂可以有效地 催化降解常见的空气污染物，包 括氮氧化物、含硫化合物和有机 污染物等，因此 TiO2光催化技 术在空气净化领域有着广阔的应 用前景。
国内对于纳米半导体光催化的研究和应用起步较晚，但是进展迅速。 Zhang 等发现纳米 TiO2硅藻土复合材料能够高效的降解空气中的甲 醛，展现出了良好的应用前景。Qin等研究发现在修公路时将纳米 TiO2负载于混凝土中可以吸收机车尾气中的 NO2，从而减少大气污 染。支静涛等通过将锰参杂的纳米 TiO2负载于多壁碳纳米管上，来 吸附脱除燃煤电厂中排出的SO2，去除效率可达 69%.
温室 效应
温室 效应
温室效应是 21 世纪人类面临的 重要环境问题之一。导致温室效 应的最主要的人为污染物是CO2， 因此减少大气中 CO2的排放能 够有效缓解温室效应、减轻气候 影响。
纳米光催化技术的实际应用
空气 净化
纳米光催化技术的实际应用
尾气 净化
纳米光催化技术的实际应用
燃料 脱硫
纳米光催化技术的实际应用
纳米光催化技术原理介绍
反应机理：
光催化材料为半导体材料(如 TiO2)，具有特殊的电子结构， 其催化反应机理如右图所示。
根据能带理论，半导体的能带是不连续的。在常态下，低 能价带充满电子，高能导带不存在电子，两者之间存在禁 带，当半导体受到光量子能量大于禁带带隙能量的光照射 时，低能价带上的电子可以被激发到高能导带上，从而在 导带上生成有着高活性的带负电电子(e-)，同时在价带上 产生带正电的电子空穴(h+)，从而在半导体的表面产生有 着高度活性的电子-空穴对。电子-空穴对在电场的作用下 发生分离，并且转移到半导体的表面。
纳米光催化技术原理介绍
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丁延伟等研究了纳米 TiO2光催化氧化降
解甲醇、甲醛、甲酸的反应。结果显示纳
米TiO2对这 3 种有机物的最终催化氧化产 物均为 CO2和 H2O，甲醇在反应过程中 先被氧化成甲醛和甲酸最终被彻底氧化分
解，甲醛在彻底氧化前先被氧化生成甲酸。
这 3 种有机物的氧化反应均为零反应，反
1976年 2
1976 年，研究发现TiO2 能够光催化降解联苯和氯 代联苯, 标志着半导体光催化技术首次进入环境保 护领域。
1976年后 3
此后，研究发现纳米 TiO2光催化材料可以有效降解多种 空气中的有毒有害物质，兼具杀菌、除臭等应用功能，
在污染物降解与环境保护领域大放异彩，展现出了良好
的应用前景。
张凤宝课题组发现 TiO2催化剂的表面积和光照强度 是影响苯光催化降解速度的两个最重要的因素.
Abdennouri 等采用溶胶-凝胶方法制备了负载于柱 撑粘土的纳米TiO2光催化剂材料,研究发现该材料能 够高效的降解环境中的 2,4-二氯苯氧乙酸、2,4-二氯 苯氧丙酸等杀虫剂.
Christoforidis等研究了铁掺杂、硫掺杂以及铁-硫共 掺杂的纳米 TiO2材料在紫外和太阳光下对大气中甲 苯的催化降解机理,发现在纳米 TiO2材料中掺杂了硫 后对材料的表面性质有较大的改变,硫掺杂以及铁-硫 共掺杂的纳米 TiO2材料能更为高效的催化降解大气 中的甲苯。
纳米光催化技术原理介绍
国际 形势
国内 进展
纳米 TiO2光催化材料走向应用的关键在于其牢固负载。常见的固态 负载材料有玻璃、金属、吸附剂、陶瓷、阳离子交换剂、高分子聚合 物、柔性网状材料等。日本三菱公司研发的 TiO2和无机粘合剂构成 的催化剂可以有效去除室内环境有害气体。东陶等公司研发的基于纳 米 TiO2薄膜的自净玻璃、卫生陶瓷、建筑铝材、水泥、空气净化器 等也已投入市场。美国和日本研发团队将纳米 TiO2负载于纺织纤维 中，使得研发的纺织品能够屏蔽紫外辐射，并且在紫外光下发生光催 化反应，可以有效祛除异味、杀灭病菌，并且具备一定自洁作用。实 际上,TiO2在有效地消灭细菌的同时还能降解细菌产生的有害化合物。
应速率与物质浓度无关。（如图）
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Einaga 等研究发现纳米 TiO2光催化降解空
气中的游离苯分子会生成 CO2和少量CO。
反应过程中，TiO2光催化剂表面会产生碳沉
淀,其生成量与环境中苯浓度呈正相关(表 1)。
生成的碳沉淀会降低光催化剂的催化活性，
从而降低反应效率。提高环境湿度可以有效
地抑制催化剂表面碳沉淀的生成,从而保持催
纳米光催化技术原理介绍
上文提到生成的空穴可以和吸附在半导体表面的•OH-或者 H2O 反应生成具有强氧化性 的•OH(式2、3)_;生成的电子可以与 O2反应生成 H2O2 或•O2-等活性氧自由基(式 4、5、 6、7)。这些活性氧自由基可以与半导体催化剂表面的多种污染物发生氧化还原反应从 而使其降解。
相应的光催化反应式为:
TiO2 + hν → TiO2* (e- + h+)
(1)
OH- + h+ → •OH
(2)
H2O + h+ → H+ + •OH
(3)
e- + O2 → •O2-
(4)
•O2- + H+ → •HO2
(5)
2•HO2 → O2 + H2O2
(6)
H2O2 + O2- → •OH + OH- + O2
通过一步水热法 ，巧妙地利用 g- C3N4 自牺牲提供 O32-合成了 Bi2O2CO3/g-C3N4层状异质结材料。通 过形貌调控和异质结的协同催化作用，Bi2O2CO3/gC3N4异质结对NO 的去除效果显著增强。
利用超声雾化热分解方法 （USP）首次成功合成了 具有多孔表面的新型微球 状 ZnWO4
第二部分
纳米光催化技术原理介绍
国内外的研究充分表明，以纳米 TiO2光催化剂为代表的光催化 技术，在环境保护和治理的很多领域具有现实和潜在的实用价
值，是一种有着很大潜力的环境治理技术。
纳米光催化技术原理介绍
纳米光催化技术的 发展历程总体上经
历年，日本东京大学的 Fujishima等发现受光辐 射的 TiO2表面会发生持续的氧化还原反应。自此, 以 TiO2为代表的半导体光催化反应成为催化技术的 一个研究热点。
如通过离子掺杂的方式引入杂质 能级，调控宽禁带半导体能带结 构使其具有可见光活性；合成具 有特殊形貌的零维、一维、二维 及三维介孔纳米材料，缩短载流 子扩散路径从而提高催化剂量子 效率；构建二元或三元纳米异质 结，通过结界面电场增强作用提 高电子-空穴分离效率并拓展光
谱响应范围等。
纳米光催化技术的进展和问题
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开发高效的纳米光催化材 料是光催化大气净化技术 的关键。尽管科学家在不 断研究新材料、新方法， 但还会出现材料“出不了 实验室”的尴尬处境，主
要表现在以下方面：
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选择合适的载体，研究催化剂 固定技术，制备负载型催化剂， 使其易于回收，重复使用。
要使光催化技术与其他技术耦 合，利用多种技术的协同作用 来获取最佳处理效果，开拓更 广阔的应用前景。
纳米光催化技术的进展和问题
构建异质结制备了可见光活性异质结α -Bi2O3/(BiO)2CO3
制备贵金属Ag掺杂的钙钛矿Ag-SrTiO3复合 光催化材料
纳米光催化技术的进展和问题
需要制备高效率的催化剂，进 一步完善催化剂的改性技术，
提高催化剂的催化活性。
光催化反应机理的研究缺乏中 间产物及活性物质的鉴定，要 进一步深入研究光催化反应机 理，掌握有机物降解规律，对 光催化技术实用化意义重大。
化剂的活性。
第三部分
纳米光催化技术的进展和问题
利用 TiO2强氧化能力的光催化技术也因此成为一种新型有效的 环境净化技术，但是，TiO2自身也存在一些缺陷，大大限制了
实际应用规模。
纳米光催化技术的进展和问题
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纳米光催化的优势
纳米材料所具有的表面效应及量 子尺寸效应使得催化剂在污染物 吸附、光生载流子分离及迁移等 方面表现出优于块体材料的性能 。TiO2因具有光催化活性高、 低毒、稳定性高、廉价易得等优 点而成为最具应用前景的传统光 催化剂，利用 TiO2强氧化能力 的光催化技术也因此成为一种新
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污染现状
目录 contents
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原理介绍
3
研究进展
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实际应用
第一部分
我国大气污染现状
随着我国城市化和经济的快速发展,人为活动排放了大量的污染, 引发了严重的大气环境污染。
我国大气污染现状
挥 发 性 有 机 物（volatile organiccompounds, VOCs）与氮氧 化物（NitricOxides, NOx）是形成二次有机气溶胶(secondary organic aerosol, SOA)和臭氧（O3）的重要前体物。Huang 等在 Nature发表的研究结果表明，中国典型城市重霾污染期间SOA平 均占PM2.5质量浓度的27%，对灰霾形成具有重要贡献。
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纳米光催化技术原理介绍
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纳米 Ti O2光催化氧化
反应根据反应物的不同
而具有不同的反应机理 。
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张拦等采用溶胶-凝胶法合成制备了S、La参杂的SLa-TiO2复合材料,发现 S、La、TiO2在配比为 1:0.01:1 时对甲醛的催化降解能力最好,降解率可达 60%.
清华大学张彭义课题组制备得到的Au/TiO2 复合物能 够高效去除甲醛(去除率高达93.6%),同时还能显著分 解副产物臭氧(去除率达32%).