1.2.2 半導體光催化技術

在繼Fujishima等有關TiO2單晶電極上光解水的報道[6]之后，1977年Frank等人利用半導體材料對污染物進行光催化降解取得了突破性的進展[7-8]，從此半導體多相光催化作為一個嶄新的領域得到了深入而廣泛的研究[9]。 具有多相光催化性能的半導體包括WO3、TiO2、CdS、ZnS、ZnO、Fe2O3、CdSe等[10]，其中的TiO2由于具有抗化學和光腐蝕、性能穩定、無毒、催化活性高、價廉等優點[11]而最受重視和具有廣闊的應用前景。

半導體的能帶結構是不連續的，充滿電子的價帶（VB）和空的導帶（CB）之間由禁帶隔開。用作各催化劑的半導體大多為金屬氧化物和硫化物，一般具有較大的禁帶寬度，其中TiO2在pH為1時的帶隙是3.2eV。當光子能量高于半導體吸收閥值的光照射半導體時，半導體的價帶電子發生帶間躍遷，即從價帶躍遷到導帶，從而產生光生空穴和電子；這些光生空穴和電子具有很強的氧化和還原能力，可以將吸附到光催化劑表面的污染物徹底降解為無毒無害的無機小分子化合物，無二次污染問題。

多年來，半導體光催化反應研究主要集中于液-固相反應，對于氣-固相反應則研究得相對較少[12]。對于使用TiO2進行有機物的氣-固多相光催化氧化已研究過烷烴[13]、醇[14]、醛[15]、酮[16]、芳香族化合物[17]、鹵化物[18]；也有NOx、汽車尾氣、室內空氣、菌[19]等的光催化氧化研究報道。日本在氣固光催化反應應用方面的工作較為突出，他們將光催化劑固定在建材、路面、瓷片、外墻、內墻等基體上，利用太陽光和室內照明光，通過光催化作用使吸附在催化劑表面的污染物發生強的氧化分解，從而減輕環境有害氣體污染物。而我國在這方面的研究還有待進一步的開拓。

本課題組在納米TiO2材料以及摻雜改性納米TiO2材料的制備、表征以及光催化性能研究方面的工作卓有成效[20-24]，在積累豐富的半導體光催化處理廢水方面的經驗之后，正在半導體光催化劑處理有機氣相污染物方面作進一步深入的研究工作，同時設計了新型光催化反應器[25]，努力為有機氣相污染物的治理做出應有的貢獻。

2 討論

當前，工廠廢氣、汽車尾氣、化石燃料燃燒廢氣、居室裝修材料等釋放的有機物以及其他的細菌、真菌等氣體污染物正日益嚴重地危害地球生態環境和人類的健康。事實上，我國的空氣污染問題已不容忽視。然而，通常的污染處理方法均具有處理不徹底，成本高，存在二次污染或普適性差的問題。半導體多相光催化法所用二氧化鈦無毒、廉價易得、耐光腐蝕與化學腐蝕，光活性較強，因而受到廣泛關注。在適宜的條件下，二氧化鈦光催化能無選擇性地將氣-固界面中的難以化學氧化分解的“三致”有機物徹底礦化為CO2、水和無機酸，且無二次污染，也可以氧化無機空氣污染物、殺滅有害菌。因此，多相光催化凈化空氣是具有廣泛應用前景的空氣污染治理技術，該技術的核心是高效半導體光催化劑。本課題組研究著眼于制備光催化凈化技術所需核心材料-光催化劑，設計普適化的光催化反應器，通過不同改性的方法以提高光催化劑的吸附能力、光吸收能力、電荷分離能力，同時嘗試不同的方法將光催化劑負載于載體上，從實際上探討復合光催化劑在室內空氣凈化上的應用。這將為我國空氣污染治理提供有力的支持，為空氣凈化提供新型的環保材料和普適反應器，改變我國在這方面落后于日本等國家的形勢，同時新型改性納米二氧化鈦光催化材料可望成為新世紀環境友好與環境修復材料，在更多方面得到廣泛的應用，因而具有非常重要的理論與實際意義。