材料导论论文论文题目：催化材料在环境保护中的应用研究进展院系: 化学与环境科学学院专业班级: 化工1101**: **学号: **********授课老师：艾桃桃日期: 2013年6月12日催化材料在环境保护中的应用研究进展[内容摘要] 环境问题是人类不能回避的现实问题,以环境保护为目的的催化化学在解决环境保护问题中起着核心作用。

在催化材料商光催化材料对环境报会起着至关作用。

光催化氧化材料能有效地降解有机污染物,已成为研究的热点。

综述了光催化材料的反应机理和种类, 阐述了影响光催化反应的条件和提高反应的效率等问题以及其在保领域的应用,并提出了其今后的发展方向。

关键词：催化材料光催化氧化二氧化钛环境保护应用引言环境问题是人类不能回避的现实问题，如何消除、减轻或根除由于人类的生产活动而产生的一系列有害污染物质，是人类面临的一个重要课题。

以环境保护为目的的催化化学在解决此类问题中起着核心作用。

20世纪90年代后期绿色化学的兴起，为人类解决化学工业对环境污染，实现可持续发展提供了有效的手段。

因此,新型催化材料与催化过程的研究与开发是实现传统化学工艺无害化的主要途径。

本文就环保催化材料及光催化材料在环境中应用研究进展和新型环保催化材料做简单的概述。

一、光催化材料在环境保护中的应用研究光催化材料主要应用于环境保护, 这种新的污染治理技术具有操作简单、无二次污染、效率高、能耗低等优点,可产生较大的效益。

近几年,随着研究的深入, 出现了光催化材料和其它领域的结合,如光催化剂在抗菌、新能源技术、自洁陶瓷、建材等方面的应用。

1、光催化反应体系的研究目前的光催化研究主要应用于降解有机废水方面。

根据催化剂的存在形式不同,反应体系分为悬浮相体系和固定相体系两大类。

1.1 悬浮相体系悬浮相体系就是把光催化材料的颗粒直接加入待处理的溶液中, 通过搅拌使颗粒均匀地悬浮并充分与溶液混合。

由于颗粒的比表面积大,光照充分, 与溶液中的被降解物接触充分, 降解效率高。

但由于材料的颗粒细小,难以回收,对后期处理有一定困难,所以在实际中推广应用受限。

1.2 固定相体系将催化材料制成薄膜或附载于其它材料表面进行光催化反应, 主要是针对悬浮相体系的分离和回收困难而设计的。

一般光催化材料的载体有玻璃球、沙粒、陶瓷、硅藻土或反应器的内表面等。

附载后的材料光催化活性降低,但反应能连续进行, 操作稳定, 无后期回收处理的困难, 有实际应用意义。

因此目前主要是研究固定相体系结构。

陈士夫等将TiO2 固定在空心玻璃球上降解农药。

李素芹等将TiO2 附载于活性炭上, 均取得了良好的光催化效果。

目前, 制膜的方法很多,主要有粉体烧结法、溶胶- 凝胶法、沉积法、浸渍法等,但最常用的是溶胶- 凝胶法。

因应用溶胶- 凝胶法技术制备的膜有较高的催化活性, 分布均匀,牢固性好,工艺简单,故被广泛采用。

但这种方法也存在膜厚不易控制、附着力差、容易产生龟裂等不足。

2、提高光催化反应的条件研究2. 1 “外场”对光催化性能的提高最近已经有学者指出, 如果给光催化氧化反应加一个“外场”,催化效果会得到很大的提高。

2.1.1 外加电场对光催化的影响将两个电极置于光催化反应器中, 并施加电压,实验证明光催化效率得到明显提高。

随着电压的增大,光催化效率提高。

但电压也不是无限地增大,而是存在一最佳值。

它与光催化剂的种类和被降解的有机物有关。

电场促进光催化反应的原因是由于施加电压减少了光催化过程中电子与空穴的复合,从而提高了反应效率。

Vinodgopal 等在导电玻璃上制备了耦合的SnO2/TiO2 薄膜,在光催化反应中发现施加一定的正向偏压后, 薄膜的光催化活性提高了十倍。

何春等用三维电极电化学反应器处理有机废水。

结果表明, 外加电压10V时,苯胺去除率接近最大值,明显优于不加电压的降解率, 提了废水的电解效率和处理量。

吴合进等研究EEPAC(光电组合催化或增强型电场协助光催化) 发现苯酚的降解率为82.8 % ,而普通的光催化降解率仅为33.6 %。

2.1.2 外加微波场对光催化的影响李旦振等研究发现微波场内的光催化反应得到加强。

微波使光催化体系迅速升温,十分有利于胶体粒子的形核和成长, 改变了催化材料的结构,促进光催化材料表面的光的吸收,提高了光催化材料的光激发电子跃迁的几率。

同时使羟基生成游离基,羟基有很强的氧化性能,从而提高了光催化反应的催化效率。

2.1.3 超声波场对光催化的影响因光催化氧化反应中催化材料容易产生团聚效应,因而影响了其催化性能,安太成等研究了超声波场下的TiO2 光催化活性艳橙水和苯胺及其衍生物的反应。

实验表明, 在超声波场的条件下,艳橙水脱色率达到了97.8 % ,而无超声存在的条件下脱色率仅为66.1 %。

超声光催化的速率明显比光催化和超声波降解的反应速率高。

由此可见超声波场存在的光催化氧化反应是很有应用前景的新技术。

2.1.4 外加磁场对光催化的影响现有研究发现,磁场有助于自由基的生成,因此能提高光催化材料的降解效率。

姜焕伟等在降解氯苯的研究中发现, 外加磁场可以促进氯苯类有机物的光催化降解。

随着磁场场强的增加,氯苯光催化降解速度加快,半衰期变短。

磁场场强为0. 32 T时, 光降解速率常数为0. 754 h - 1 , 比无磁场时提高了12.5 %。

离子掺杂对光催化性能的影响金属离子掺杂就是通过反应将金属离子转入TiO2 晶体结构中。

掺入不同的金属离子,其结果也不同。

金属离子掺杂可以使TiO2 的带隙变窄,使光催化材料的吸光范围加宽, 能有效地利用太阳能。

此外,金属离子可以抑制电子与空穴的复合时间,界面电荷传输速率变大,使光催化活性大大提高。

近年来国内外已有大量的报道关于掺杂金属离子的研究, 如掺Fe3 +、Ag +、Cu2 +、La3 +等。

PingYang等向纳米二氧化钛粒子中掺杂Fe 3 +和Eu3 + , 当掺杂量分别为1 %和0. 5 %时, 二氧化钛的催化率明显地增长。

孙晓军等研究发现, 对TiO2 进行Pt4 +及Fe3 +的共掺杂, 可将激发光的波长范围扩大到600 nm附近,从而使TiO2 催化活性大大提高。

Wu Shui - Xin 等研究了掺铜的TiO2 ,并通过XPS 对改性的催化剂进行了分析。

结果表明改性后的催化剂光生载流子分离和界面电子转移加快,改善了其光催化性能。

由于我国独特的稀土资源优势, 国内研究者把目光转向了稀土掺杂。

王朋等用稀土离子掺杂的TiO2 降解藏花红, 结果表明稀土离子抑制了光生载流子的复合率,提高了光吸收率。

2.2 光催化反应在环保中的应用现状2.2.1 降解有机废水有机废水对环境的影响最为严重,例如:染料废水、农药、卤代有机物、表面活性剂等,其特点是普通的方法难以降解,在环境停留的时间长。

最近几年, 研究光催化反应降解有机废水的报道很多。

它们都可以用光催化剂在有条件的光照下逐步分解为CO2、H2O 与简单的有机物等。

李耀中等通过光催化降解三类难降解的有机工业废水(印染废水、制药废水、农药废水) , 取得了较好的效果。

多数实验条件下150 min 后三类废水的COD率大于70 % ,BOD5/ COD 值提高到0. 4 以上。

张新荣等用附载光催化的方法降解有机磷农药, 敌百虫的降解率达80 %。

Hidaka 等对表面活性剂的降解做了系统的研究。

实验表明,含苯环的表面活性剂比仅含烷基或氧烷基的更容易降解实现无机化,直链部分降解比较慢。

降解无机污染物光催化反应也能还原无机污染物中的有毒离子。

在1977 年就有关于处理Cr2O72 -离子水溶液的报道。

用光照将Cr2O72 -还原为Cr3 +。

和降解有机污染物相同,降解无机物可以用下式来表示:Inorginic pollutants + O2 CO2 + H2O+ Mineral acids + 其他无害物质Bhakta 等研究了TiO2 等光催化剂将CN -氧化为OCN - ,然后进一步氧化为CO2、N2、NO3-的过程。

光催化剂通过光催化反应还可以使多种有害气体分解为无害气体,比如对汽车、摩托车等尾气的NOx 和工厂排放的SO2 都有很好的降解率, 而本身却在反应中不消耗。

其他除以上光催化降解有机和无机污染物外, 光催化材料具有的超亲水性能, 使其表面不能与油污等牢固结合,故其表面有防尘、防污、防雾、易干等功能。

在陶瓷表面镀有一层光催化材料,在紫外灯或太阳光的照射下产生催化作用, 可以分解有机物和除臭等功能,从而达到洁净的效果。

日本的TOTO 公司已经在世界上首次开发出自洁建筑卫生陶瓷。

另外,光催化材料的氧化作用可以杀死细菌, 其原理一般认为光催化产生的空穴和形成于表面的氧离子表面态能与细菌组织进行生化反应,导致细菌的死亡。

光催化材料制备的卫生陶瓷表面在室内荧光灯照射下, 1 h 之内可以杀死99 %附着的细菌, 因此光催化卫生陶瓷有很好的应用前景。

3、光催化材料的发展方向和应用前景从目前的情况来看, 光催化氧化技术具有很好的应用前景和巨大的发展潜力。

但是由于该方法是近十几年才发展起来的, 许多方面的研究还不是很成熟, 故大量的研究只是停留在实验室阶段。

其中西方和日本的起步较早,我国是最近几年才开始重视和开展关于光催化氧化反应的工作。

光催化材料的研究趋势主要集中在以下几个方面:3.1 TiO2 和钙钛矿结构的材料已经受到人们越来越多的重视。

由于其成本低,催化活性好,有利于工业化大生产, 未来几年对光催化材料的研究主要集中于此。

3.2 目前的研究都是用汞灯等作为激发光源,由于其成本高等原因, 故很难实现光催化氧化反应的工业化。

利用新的光源—太阳能是研究的关键。

但是太阳光中能用于光催化的紫外线能量只占全部能量的3 %～ 5 % ,如何加宽材料的吸光范围从而更有效地利用太阳能是今后研究的重点之一。

3.3 对光催化反应加外场的研究是最近几年才开始的, 比如光催化材料在电场、微波、超声波的作用下光催化能力得到了很大的改善, 可以确信,关于外场的研究有很广阔的应用前景,并成为光催化氧化反应产业化的关键。

二、催化材料在环境保护中的应用研究进展1、环境保护催化材料的定义环保催化材料是指用直接或间接的方法处理有毒、有害物质，使之无害化或减量化，以保护和改善周围环境所用的催化剂。

环保催化剂的范畴从广义上讲，可以认为是对环境保护有益的所有催化剂，包括不要或不产生有害副产物的催化合成过程；从狭义上讲，就是与温室效应、臭氧层破坏、酸雨范围的扩大化及水体污染等的改善所涉及的催化剂种类。

环保催化材料分为直接和间接两种。

例如，从排气中除掉氮氧化物(NO X)用的催化剂属于直接的；而燃烧过程中用来抑制NO X产生用的催化剂属于间接的。