TiO2光催化处理氮氧化物技术及未来发展

黎宝仁

（广东韶科环保科技有限公司广东韶关512026）

TiO2光催化处理氮氧化物技术及未来发展

黎宝仁

（广东韶科环保科技有限公司广东韶关512026）

随着我国经济的快速发展，工业生产和人类活动过程中产生越来越多的废气，其中的氮氧化物（NOX）对人体健康和大气环境的影响尤其严重。对NOX进行有效控制需寻找切实可行的技术方法，光催化处理污染物技术是以半导体氧化物作为光催化剂，在可见光或紫外光等的照射下，将目标污染物转化或降解为无害物质。相比起传统方法，光催化技术具有能利用太阳光、能耗低、无需加入其它反应物，无二次污染，反应条件温和等优势。本文着重介绍TiO2光催化处理NOX的技术及其发展。

光催化；氮氧化物；未来发展

1 引言

催化法是利用催化剂和反应条件的控制，使氮氧化物经过一系列的氧化还原等反应转化为其他物质的方法，其中较为典型的和运用较为广泛的是SCR和SNCR法，这两种传统技术虽然效果较好，但是催化剂价格昂贵，反应器运行成本较高。于是关于光催化的研究逐渐展开，其中用得最多的是TiO2催化剂，TiO2性状良好，价格低廉，稳定性强，而且可以直接利用太阳能这种清洁能源，因此被认为是光催化领域最理想的半导体催化剂。

2 光催化处理氮氧化物技术

2.1 光催化法处理氮氧化物原理

TiO2的频带隙能为3.2eV，入射光子的能量必须大于或等于这个频带隙能才能激发自由电子，光催化的本质是在自然光或人工光源的作用下对半导体的活化。在光照下，半导体从光量子中吸收足够的能量，使电子从TiO2催化剂的价带经过跃迁到达导带，原子得到能量的激发，形成电子-空穴对。那些空穴能够从水分子中产生OH·自由基，并吸附于半导体表面，这些活性基团将使氮氧化物得到转化，而电子则与氧分子形成超氧阴离子O2·-。光催化效率取决于产生电子-空穴对与电子-空穴对复合的速率，电子-空穴对的复合大大限制了光催化活性，因此，为了解决这个问题，一般要对TiO2进行掺杂，使TiO2催化剂得到良好的改性效果。

2.2 光催化处理氮氧化物技术的应用

2.2.1 固定化复合光催化剂

在实际应用中，由于TiO2悬浮颗粒难以回收，容易造成二次污染，为满足工业应用的要求，通常将光催化剂负载于载体上，如分子筛、陶瓷、玻璃纤维等。这些物质化学稳定性好，不会跟TiO2反应，能够为TiO2催化剂提供足够的支撑面，这样就形成了具有载体的复合型催化剂，有较好的催化效果。催化剂不仅与具有较高比表面积的物质结合的时候效果较好，而且与孔隙率较大的物质结合的时候，也能发挥出极佳的催化效果，而这种催化剂被称为复合光催化剂。

2.2.2 固定化光催化膜

另一种固定化方法是将光催化剂制成膜状或涂料的形式，再将其附着在载体表面，比如利用公路的路面或墙体作为载体制成复合型催化剂，能够转化氮氧化物。常用的制膜方法有溶胶凝胶法、等离子体法和浸渍提拉法等。TiO2催化膜的制备也是非常讲究的一个过程，因为催化膜的催化效果与膜厚度、透明度和牢固性等均具有非常大的关系。用来制催化膜的催化剂载体可以改变TiO2催化剂的晶型，并且可通过改善TiO2的表面结构从而改善TiO2的光催化活性。

2.2.3 流化床光催化技术

常用的流化床光催化器有两种，分别是悬浮颗粒光催化反应器和固定膜催化反应器。悬浮颗粒光催化反应器是将TiO2制作成固体颗粒，再让这些固体颗粒与废气充分接触从而将其催化转化的方法，这种方法因污染物与催化剂的接触面积较大而效果较好，但催化剂较难从反应物中分离出来，在工业生产中这些方法会增加生产成本，因此使用会受到一些限制。固定膜催化反应器是采用一些特定的方法，把TiO2催化剂稳固地涂附在一些载体的表面上，从而制成复合型催化剂，将这些催化膜与反应物充分接触进行催化反应的方法。固定膜催化反应器与悬浮颗粒光催化反应器相比接触面积较小，因此转化效率也不高。

2.3 提高二氧化钛光催化活性的主要途径

从光催化处理污染物的机理分析，激发TiO2使其产生光催化活性需要3.2eV以上的能量，即波长范围为小于387.5nm的紫外光部分，因此目前的光催化反应使用的光源都是短波，而太阳能集中在波长380～780nm范围内的可见光区域，从目前的实际应用的情况来说，，TiO2光催化剂难以大规模应用是因为其禁带宽度较宽，不能利用好可见光进行光催化。如果把TiO2催化剂进行改性处理，使其能够吸收自然光波长的能量，是一个较好的选择。

TiO2催化剂的改性，一是采用贵金属沉积，通过贵金属沉积与TiO2催化剂的表面作用，使其产生特殊的活性，更易于吸收光生电子；二是采用金属离子掺杂，有学者研究发现，掺杂过渡金属离子也能达到较好的改性效果，但掺杂的金属离子浓度必须适中；三是非金属离子掺杂，采用非金属离子掺杂的原理与金属离子掺杂有些不同，是通过取代氧空位或引入氧空位的方式使TiO2的禁带宽度变窄，并且降低了电子-空穴对的复合几率，因此提高TiO2对可见光的响应范围。

结语

本文探究了TiO2光催化处理氮氧化物的原理及应用技术，通过催化原理和催化条件的分析，提出了提高二氧化钛催化活性的途径。从目前的研究进展来看，通过TiO2催化剂的改性提高其催化活性仍然存在较大的探究空间，采用技术方法提高TiO2催化活性和其对太阳光的响应能力，从而提高TiO2对氮氧化物催化转化速率将是未来的研究发展方向。

[1]陈琳，杨苏东，王传义等.二氧化钛光催化材料及其改性技术研究进展[J].离子交换与吸附，2013，29（1）: 86-96.

[2]赵毅，韩静.不同光源下TiO2/ACF同时脱硫脱销实验研究[J].中国科学，2013:346-355.