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光催化反应是光和物质之间相互作用的一种方式,是光反应和催化反应的融合,是在光和催化剂同时作用下所进行的化学反应。

   
光催化反应原理

  半导体的能带结构通常是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能价带构成,它们之间的区域称为禁带。禁带是一个不连续区域。当能量大于或等于半导体带隙能的光波辐射此半导体催化剂时,处于价带的电子(e)就会被激发到导带上,价带生成空穴(h+),从而在半导体表面产生具有高度活性的空穴/电子对。TiO2的带隙能为3.2ev,相当于波长为387.5nm光子的能量,当TiO2受到波长小于387.5nm的紫外光照射时,处于价带的电子就会被激发到导带上去,从而分别在价
带和导带上产生高活性的光生空穴和光生电子。

 

  在电场的作用下,电子与空穴发生分离,迁移到粒子表面的不同位置。热力学理论
表明,分布在TiO2表面的空穴可以将吸附在其表面的OH-和H2O分子氧化成OH。而电子
(e-)具有很强的还原性,可使得TiO2固体表面的电子受体如O2被还原。

 
 O2既可以抑制光催化剂上电子和空穴的复合,提高反应效率,同时也是氧化剂,可以氧化已经羟化的反应产物,是表面羟基自由基的另一个来源。

 

  缔合在Ti4+表面的OH的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的,能够氧化大部分的有机污染物及部分无机污染物,将其最终降解为CO2、H2O等无害物质,并且对反应物几乎无选择性,因而在光催化氧化中起着决定性的作用。
 

  从理论上说,只要半导体吸收的光能大于等于其带隙能,就能被激发产生光生电子和光生空穴,该半导体就可以作为光催化剂,但从实际来看,一个具有实际应用价值的半导体光催化剂必须具有化学稳定性、光照稳定性、高效性和选择性及较宽的光谱响应,同时还要考虑到材料成本和光匹配性等因素。

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