环境污染物的光催化降解:活性物种与反应机理

以二氧化钛为代表的光催化能使许多有毒的有机污染物发生降解或矿化,产生易被生物降解的小分子和二氧化碳,过程涉及羟基自由基等活性物种.本文在作者小组的工作基础上,试图总结近年来二氧化钛、(羟基)氧化铁、杂多酸和金属酞菁光催化或光敏化在水处理方面所取得的研究进展.综述的重点是二氧化钛半导体光催化,讨论的内容包括:(1)超氧自由基、羟基自由基和单线态氧的检测和各种生成机理;(2)金属离子、杂多酸和氟离子修饰催化剂表面对活性物种产生的影响和可能机理;(3)离子交换树脂和有机膨润土负载金属酞菁对吸附和可见光敏化降解水中有机物的影响.     

Fe(III)参与TiO_2光催化降解X3B的反应机理研究

三价铁离子对TiO2 光催化降解X3B活性艳红染料具有明显的促进作用 .但是 ,当Fe(III)全部转化为Fe(II)离子以后 ,X3B的降解不再加快 .研究表明 ,Fe(III)捕获表面光生电子是导致X3B降解速率增加的主要原因 ,而Fe(III)光解产生羟基自由基使降解X3B的贡献则相对较小 .由于体系缺乏Fe(III) /Fe(II)循环 ,(Photo) Fenton反应参与X3B降解过程的可能性极小 .X3B和Fe(III)竞争吸附催化剂表面 ,促进了光生电子 -空穴对的分离和转移 .Fe(II)吸附相当微弱 ,这可能是导致Fe(II)难以被表面空穴或其它活性物质重新氧化的原因之一     

杂多酸存在下X3B染料光降解和Cr（Ⅵ）光还原的协同反应机理

以H3PW12O40(PW)和H4SiW13O40(SiW)杂多酸(POM)为催化剂,波长大于320 nm的高压氙灯为光源,研究了混合水溶液中活性艳红染料X3B的光致降解和重铬酸根(Cr(Ⅵ))的光致还原.结果表明,POM-X3B-Cr(Ⅵ)三元体系的反应效率高于POM-X3B、POM-Cr(Ⅵ)和X3B-Cr(Ⅵ)二元体系的反应效率,PW的光活性高于SiW,且X3B光降解和Cr(Ⅵ)光还原之间存在明显的协同作用.通过考察各组分起始浓度以及N2、O2、H2O2和乙醇的影响,实验发现,激发态POM-与H2O反应产生POM-和·OH是反应的决速步骤.X3B光降解和Cr(Ⅵ)光还原分别主要通过·OH和POM-进行,而X3B和Cr(Ⅵ)之间光化学反应的贡献较小.在二元和三元体系中POM浓度对反应速率表现出不同的影响,表明激发态POM*与H2O之间的反应具有可逆性.     

Fe2O3掺杂对WO3光催化降解有机染料X3B的影响

发展高效的可见光催化剂是太阳能化学利用的一个挑战. 本文采用简单的混合方法, 制备了WO₃和Fe₂O₃的混合物, 研究了该复合氧化物在H₂O₂存在下光催化降解有机染料X3B的活性. 实验表明, 催化剂的光催化活性与其煅烧温度和Fe₂O₃含量有关. 最佳煅烧温度和Fe₂O₃含量分别等于400 °C 和1.0% (w). 根据自由基捕获电子顺磁共振(EPR)波谱分析, 复合氧化物产生羟基自由基的量远高于Fe₂O₃和WO₃. 我们推测, 这种协同效应来源于WO₃和Fe₂O₃之间的电荷转移, 从而加快半导体光生载流子的分离和X3B的光催化降解.     

CuWO4促进金红石TiO2光催化降解苯酚及其可能机理

已知金红石光催化降解水中有机物的活性远低于锐钛矿和板钛矿。本文报道,加入少量钨酸铜能显著加快金红石光催化降解水中苯酚。反应速率增加的幅度不仅远高于在相同煅烧温度（600 ℃）下制得的锐钛矿和板钛矿,而且随金红石煅烧温度（150-800 ℃）的增加持续增加。这些现象说明通过加入助催化剂钨酸铜,高温焙烧温度合成的金红石所具有的高的固有光催化活性可以被开发出来。此外,在过量苯酚存在下,H₂O₂的生成量随钨酸铜的加入量而先增加后减少,并且该趋势与苯酚降解速率基本一致。钨酸铜的这种正效应归结于固态的钨酸铜,而不是溶于水中的铜离子。（光）电化学测试表明,体系发生了从受光激发的金红石到钨酸铜的电子转移。这将提高光生载流子的分离效率,从而增大了O₂还原和苯酚降解的速率。     

水溶液中苯乙酮及其降解产物的紫外光光解

在紫外光作用下,水中苯乙酮(10^-^4mol.dm^-^3,pH=6)能发生直接光降解,生成邻羟基和间羟基苯乙酮等中间产物,并且这些产物又可进一步光解生成二羟基苯乙酮。在相同条件下,它们的相对光降解速率大小为:苯乙酮>间羟基苯乙酮>对羟基苯乙酮>邻羟基苯乙酮。     

高纯度中孔分子筛MCM—41的合成与表征

用不同ｐＨ值的混合制备了不同孔径的全硅ＭＣＭ－４１和不同金属离子取代的Ｍ－ＭＣＭ－４１（Ｍ－Ａｌ,Ｍｎ,Ｆｅ和Ｖ）分子筛。这些试样均呈现ＭＣＭ－４１的Ｘ射线粉末笛射特征峰和Ⅳ型氮气吸附等温线,但混有不同含量的无定形氧化硅。样品中ＭＣＭ－４１晶体的含量与溶胶的ｐＨ值和所用表面活性剂的碳链链长有关,骨架硅的金属离子取代降低了ＭＣＭ－４１的有序度,并且（１００）面衍射峰强度从Ａｌ到Ｖ依次减弱。     

苯酚和氯苯酚的Pt／TiO2催化光解

在TiO_2和Pt/TiO_2催化作用下水溶液中苯酚、对氯苯酚、2,4-二氯苯酚和2,4,6-三氯苯酚均能发生光致降解(λ≥345nm)。在固定于反应器内壁的薄层Pt/TiO_2催化作用下,这些化合物的光致降解均呈现一级反应动力学;表观反应速率常数K_(ob)的相对大小为:苯酚<对氯苯酚<2,4-氯苯酚<2,4,6-三氯苯酚。少量H_2O_2(1.9×10~(-2)mol·L~(-1))能提高这些化合物的光解速率。光照1.0～5.0h后这些化合物的降解率大于97％,COD去除率大于95％。     

β-Bi2O3修饰Bi2WO6光催化降解苯酚及其可能机理

采用简单混合法制备了一系列Bi₂O₃/Bi₂WO₆复合光催化剂. 在紫外光降解水中苯酚的过程中, Bi₂O₃/Bi₂WO₆的光催化活性随Bi₂O₃含量的增加呈现先增大后减小的趋势. 当Bi₂O₃最佳负载量等于12.5% (质量分数, w)时, 该复合光催化剂的活性大约是单一Bi₂WO₆的4 倍. 固体样品表征表明, Bi₂O₃主要以β-Bi₂O₃存在, 复合光催化剂是Bi₂O₃和Bi₂WO₆的简单混合物. 此外, 在电催化氧化水的过程中, β-Bi₂O₃/Bi₂WO₆薄膜电极的光电流远大于β-Bi₂O₃和Bi₂WO₆薄膜电极的光电流之和. Bi₂O₃对Bi₂WO₆光催化的促进作用是由于前者接受后者的光生空穴, 提高Bi₂WO₆光生载流子的分离效率, 从而加快了O₂的还原和苯酚的降解.