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影响光催化反应的因素有哪些

发布时间:2022-05-17      点击次数:343
  气相光催化反应受到很多因素的影响,总结起来可分为两大部分,一是催化剂本身的性质,二是外部反应条件。对于催化剂本身的性质,其主要由催化剂的制备方法决定,此处主要介绍外部反应条件对光催化反应的影响。
  01光强的影响
  光催化氧化研究多以主波长为254nm的紫外杀菌灯和主波长365nm的黑灯管作为光源,研究表明,当光的波长低于300nm时,会有杀菌的效果,而在260nm附近时对细菌的杀灭效果会更加明显。DNA对这个波长范围的紫外线吸收很强,因此主波长254nm的杀菌灯会对人的眼睛和皮肤造成伤害,甚至引发皮肤癌。如果将其应用到室内空气污染净化实践中,需要采取必要的控制措施。同时,主波长254nm的紫外线灯在其工作过程中,会与空气接触产生臭氧,造成二次污染,对人体造成伤害。
  02污染物浓度
  污染物的初始浓度会影响TiO2光催化降解的效率。如果气相中有机污染物的初始浓度过高,则不利于反应的进行。原料中三氯乙烯浓度较高时会导致催化剂失活,这些失活现象主要是由于反应中间物在催化剂表面上吸附并占据了活性位所致,采用不含有机污染物的湿空气并同时用紫外光照射,可以使吸附的中间产物脱附或被氧化,从而使催化剂得到再生。
  03反应温度
  一般而言,反应温度的升高有助于化学反应的进行,是提升化学反应速率常见的方法。反应温度的升高对光催化反应速率会产生促进、抑制和先促进后抑制三种不同的作用。反应温度对光催化反应的影响,可以分别从温度对光催化剂表面反应(吸附反应、化学反应和脱附反应)、光催化剂表面活性以及光催化反应机制的影响等几方面加以归纳。
  04反应湿度
  水蒸气在光催化反应中起着重要作用,在TiO2表面有被吸附的水分子也有由化学吸附的水形成氢氧基。一般而言,在有水蒸气存在的条件下,水分子会解离吸附在Ti4+上形成氢氧官能基,氢氧官能基除与表面空穴结合(释放电子给光催化表面空穴)形成高反应性的氢氧自由基·OH,借以促进有机物的分解外,也可以吸附水和有机物分子成为光催化反应的活性位置。表面氢氧自由基在光催化反应过程中起着重要作用,因此气相中水蒸气浓度对反应速率有显著影响。
  从许多研究结果可以推断,在其他条件(光强、催化剂等)不变的情况下,水蒸气浓度从低到高,光催化反应速率经历了两个过程:一方面在低湿度条件下,随着水蒸气浓度的增加,光催化反应速率相应增加;另一方面在高湿度条件下,随着水蒸气浓度增加,光催化反应速率相应减小。可将第一个过程称为羟基自由基浓度控制过程。即在极低湿度条件下,羟基自由基的生成控制着反应速率的大小,湿度提高会加快羟基自由基的产生。第二个过程为竞争吸附控制过程。反应速率的大小受污染物同水蒸气竞争吸附的影响,湿度增加,污染物在催化剂表面的吸附量降低,反应速率降低。
  05反应气体中氧含量
  氧气是光催化反应的必需因素,O2是氧化剂,同时也是良好的电子捕获体,吸附在催化剂表面的氧分子会参与反应并消耗掉电子,也会增大禁带的宽度,使得电子-空穴对的复合受到抑制,从而促进氧化能力。在高氧浓度时,反应速率与氧气浓度关系不大。
  06反应停留时间
  反应停留时间对光催化分解有机物的影响,即为反应物与光催化剂接触时间越长,光催化反应效果就越好。但反应停留时间增长会加大反应器的尺寸,空间上受到限制。因此,需要通过实验确定最佳停留时间。
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