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光电合璧,优化环境净化技术
作者:管理员    发布于:2017-11-11 09:03:01    文字:【】【】【

  面对日益突出的环境污染问题,应选择怎样的方法来进行净化处理北京大学环境科学与工程学院副教授尚静选择了半导体催化技术。

  面对问题,直面出击随着工业的飞速发展和杜会文明的长足进步,环境问题已经成为21世纪人类必须面临的重大课题之1,其中,空气和水体中的有机物污染尤为显著。而半导体催化技术因为可利用部分太阳光能,在常温常压下进行快速反应,且对污染物治理彻底、无二次污染而成为国际环境净化处理研究的前沿领域之1.的确,半导体催化技术是十分符合我国在环境污染治理中的高效率低消耗要求的。而由于具有价廉无毒、氧化能力强、稳定性好等优点,Ti2已经成为目前研究多和应用广的金属氧化物半导体光催化剂。

  "该技术能够有效消除空气和水体中的有机污染物,但其中的Ti2存在光生电子-空穴复合率高和只能利用紫外光的缺陷,在一定程度上制约了该技术的工业应用,而光电催化技术则弥补了这一缺陷。〃北京大学环境科学与工程学院副教授尚静说,“近年来,光电催化技术引起了广泛关注。光电催化技术,又称为电助光催化技术,其主要原理是通过外加电场促进光生电子与空穴的分离,从而提高光催化处理效率。"经过研究发现,目前所采用的电助光催化技术还存在很多弱点。比如,现在来看,般的电助光催化技术均采用的是光电化学池。根据电化学体系的电极数目,可分为两电极系统、三电极系统甚至多电极系统。

  在典型的三电极体系中,般是用负载在导电基底上的光催化剂膜作为光阳极,Pt电极作为对电极,饱和甘汞电极作为参比电极,反应体系需借助电解质来形成回路,因此,不能应用于气相光催化降解体系,同时,也不可避免地增加生产成本和使生产工艺复杂化。而在应对促进电子空穴对分离的问题上,已知的光电催化技术均采用直流电源来解决,而不能直接、有效地利用交流电,这在很大程度上限制了光电催化技术的推广应用。另外,目前的光电催化技术主要是利用光生空穴的氧化能力,广泛用于氧化处理废水中的有机污染物,而利用光生电子的还原能力,将光电催化技术应用于还原废水中重金属的研究非常少。

  诸如此类问题,不可避免地制约着光电催化技术的发展。既然看好该技术的前景,尚静自然全心投入,为改进和完善光电催化技术体系努力着,付出着。

  具体问题,具体分析面对这些问题,尚静针对其各自的特点进行了具体分析,并先后提出了3项专利申请。

  针对传统光电催化体系装置复杂,不能应用于气相有机污染物降解的局限性,尚静发明了一种可应用于气、固、液三相体系来降解有机和无机污染物的全固态平面型光催化器件及其制备方法。"我们在绝缘基底上固定一对或多对条形电极,并在该基底和条形电极上负载半导体光催化剂,就可得到高活性的全固态平面型光催化器件。当在条形电极两端接通电源后,两电极之间产生的电场就可以促进两电极之间的半导体光催化剂薄膜中电子和空穴对的分离,从而达到提高光催化剂作用效率的目的。"这样来,这种全固态平面型光催化器件的优势就十分明显了。首先,它不需要工作电极和电解质,只要利用条形电极,就可以在施加微小电压的情况下,使光生电子-空穴对充分分离,从而使光催化效率大大提高;其次,它可以广泛应用于气、固、液三个体系,利用此平面型光电催化器件可以探讨污染物和催化剂之间的电荷迁移过程,是一种研究光催化反应中光物理过程的手段。总而言之,就是活性高、成本低、工艺简单、应用广泛、兼容性高,易于推广使用。

  "在研究中,我们还发现,如果采用交流电源来促进电子空穴对的分离,将会更直接、更有效。〃通过一番尝试,尚静发明了一种节能、易于推广应用、能够100利用交流电,而且光电催化效率高的光电催化装置。其工作原理如图所示,即利用二极管单向导通的性质,使交流电压的负半部分被滤掉,所以,TiO2光阳极交替处于正向偏压和无偏压状态。这样的驱动特点,使施加在TiO2光阳极上的偏压连续变化,导致TiO2薄膜中的光生空穴很难有效地累积,能够提高光生激子的利用效率,从而加快液相污染物的光降解过程,实验结果表明,其光电协同效果比直流条件下的提高7倍以上。研究中还发现,二极管整流的交流电下TiO2光阳极的稳定性要好于直流电下。

  紫外光源交流电基子二极管整流的交流电的液相光电催化装置示意图时间/秒囹2相对于铂电极而言,施加在Ti02光阳极上两个周期的电压波形,获得了半波脉冲直流电该项发明利用交流电结合二极管为驱动方式,其优势是不容小觑的。将传统的直流电源替换成为一交流电源,同时,增设了一个或四个廉价的二极管,在这一思路下所增设的二极管,分别对应着半波整流和全波整流,这样可以使电流从TiO2阳极通过电解质溶液流向对电极,从而促进半导体催化剂产生的光生电子和空穴的分离效率,解决TiO2薄膜内空间电荷的累积问题,进而提高光催化效率。"采用交流电还有一个比较直接的好处,那就是可以直接应用,而不必再加上额外的装置进行转化。〃尚静解释道,“这不仅是节约资金、降低成本的问题,还可以增强装置的稳定性,进行推广使用也比较方便。"同时,由于该发明装置中的TiO2光阳极首先是将光催化剂制成悬浊液或溶胶,然后,采用现有的光电化学手段,比如,浸渍-提拉方法或旋转涂膜方法将制得的光催化剂负载到一导电基底上,制备方法比较简单。更为重要的是,该发明将交流电和太阳能光化学结合起来,对光解水有一定的借鉴意义。因此,该发明所提供的这种应用交流电为驱动的光电催化新方法,光电催化效率高,利于液相有机污染物的快速降解,不仅可以应用在二电极系统中,还可以应用到三电极和多电极系统中。

  而她的另一项发明"一种光电催化装置以及利用该装置还原重金属离子的方法〃,将光电催化还原技术应用到降解Cr(VI)等重金属中,采用Ti2纳米管为光阳极、高表面积的金属片(网)为光阴极,提出了一种能够高效的、易于推广的降解Cr(VI)等高毒性重金属污染废水的方法。“Ti2纳米管阵列薄膜较一般Ti2薄膜具有更高的比表面积,而且其管状结构有利于电子的传导表现出更高的活性;施加偏压能够将光阳极上产生的电子转移到阴极,促进电子-空穴对的分离;而由于重金属还原反应发生在对电极,采用大面积的对电极,为金属离子提供更多的吸附位点和还原反应活性位点,极大地提高了Cr(VI)等重金属的降解速率。〃她说道,”这套装置稳定性好,即使多次重复使用也能保证高活性,再加上方法简单、成本低、效率高、处理彻底,具有很高的实用和推广前景。"由责任编辑丨马忠荣

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