1、半導體材料光催化作用機理半導體光催化機理納米二氧化鈦主要有二種晶體結構，即：銳鈦礦和金紅石。 它們的結構基本單位都是 TiO6 八面體，其結構如圖 1-1 所示。二種結構的不同在于八面體的扭曲程度和連接形式。銳鈦礦結構由 TiO6 八面體通過共邊組成，而金紅石結構則由共頂點且共邊組成。利用納米 TiO2 為光催化劑，在溶液或空氣中發生多相光催化降解污染物的反應過程大致包括以下幾個主要步驟 5：1）TiO2 在光的照射下，被能量大于或等于其禁帶寬度的光子所激發，產生具有一定能量的光生電子（ e-）和空穴（ h+）；2）光生電子（ e-）和空穴（ h+）在 TiO2 顆粒的內部以及界面之間的轉移或

2、失活；3）光生電子（ e-）和空穴（ h+）到達 TiO2 粒子表面并與其表面吸附物質或溶劑中的物質發生相互作用， 即發生氧化還原反應， 從而產生一些具有強氧化性的自由基團（ ?OH，O2-）和具有一定氧化能力的物質（H2O2）。4）上述產生的具有強氧化性的自由基團和氧化性物質與被降解污染物充分作用，使其氧化或降解為CO2 與 H2O。Fig. 1-1 TiO6 octahedron圖 1-1 鈦氧八面體sunH 2H2O2-CO 2CB e-O2H+OrganicwaterhvEgCompoundsOH -+ h+H 2OO2VBH2O·OH·OHFig. 1-2 Sch

3、ematic diagram of photocatalytic degradation on semiconductorphotocatalysts (TiO2) 6圖 1-2 半導體光催化反應原理示意圖（TiO2）6以銳鈦礦 TiO2 光催化材料為例，當 TiO2 光催化劑受到大于其禁帶能量的光照射時，在其內部和表面都會產生光生電子和光生空穴。 一部分光生電子和光生空穴參與光催化反應， 另外一部分光生電子與空穴會立即發生復合， 以熱量的形式散發出去。如果二氧化鈦中沒有電子和空穴俘獲劑， 儲備的光能在幾毫秒的時間內就會通過光生電子和空穴的復合以熱能的形式釋放出來， 或以其它形式散發掉；如果在

4、二氧化鈦的表面或者體相中有俘獲劑或表面缺陷態時， 能夠有效阻止光生電子和空穴的重新復合， 使電子和空穴有效轉移， 從而能在催化劑表面發生一系列的氧化 -還原反應，將吸收的光能轉換為化學能。如圖 1-2 所示 6,7 。以下是一些具體的化學反應式：TiO2 + hhvb+ + ecb-(11)hvb+ + ecb-heat(1 2)hvb+ + H2O ·OH + H+(13)vb+-·OH(1 4)h+ OHecb- + O2O2-·(15)2- ·2-·+H222(16)O+ O+ 2HO + O- ·+HO ·(17)O

5、2+ H2HO2·+ H+ + ecb-H2O2(1 8)H2 O2 + h2·OH(19)22-cb·OH + OH(110)H O + e上面的反應式子中，羥基自由基 ( ·OH)和超氧離子自由基 ( ·O2-)都有很強的氧化性，無論它們在氣相還是在液相中，都能將一些有機或無機物質氧化，因此，一般認為， ·OH 和·O2-是光催化氧化中主要的也是最重要的活性基團，可以氧化包括自然界中生物難以轉化的各種有機物污染物并使之最后降解成CO2、H2O 和無毒礦物。對反應的作用物幾乎沒有選擇性， 在光催化氧化反應過程中起著決定性作用。而且由于它們的氧化能力強， 氧化反應一般不會停留在中間步驟， 因而一般不會產生中間副產物。 故這種深度氧化的過程在處理環境污染物中具有很大的應用前景，