UV光催化除臭设备工作原理

光催化是一种以n型半导体作敏化剂的光敏氧化法。根据以能带为基础的电子理论，半导体的基本能带结构通常是由一个充满电子的低能价带(valent band，VB)和一个空的高能导带(conduction band，CB)构成，价带和导带之间存在一个区域为禁带，区域的大小通常称为禁带宽度(Eg)。当用能量大于或等于禁带宽度(Eg)的光照射时，半导体价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成电子(e-)空穴(h+)对。锐钛矿TiO2的禁带宽度为3.2eV，当它吸收了波长小于或等于387.5nm的光子后，价带中的电子会被激发到导带，形成带负电的高活性电子ecb-，同时在价带上产生带正电的空穴hvb+。半导体纳米材料的吸收特性主要由吸收波长(吸光波长阈值λg和峰值波长λmax)和吸收系数给出。其中，吸光波长阈 值λg与带隙能量即禁带宽度Eg的关系式为： 

λg=1240/Eg(eV)

当一个电子从价带激发到导带时，在导带上产生带负电的高活性电子(e-)，在价带上留下带正电荷的空穴(h+)，这样就形成电子(e-)空穴(h+)对，这种电子一空穴对具有很强的氧化还原活性，因此半导体材料的主要光化学反应称之为光诱导氧化还原反应即光催化反应。与金属不同，由于半导体粒子的能带间的不连续性，电子和空穴的寿命较长。在电场的作用下，电子与空穴发生分离，电子(e-)连续地由一个方向进入无电子的空带，而空穴(h+)往相反方向运动到价带。也就是说，带负电荷的电子(e-)和带正电荷的空穴(h+)往相反方向迁移到半导体粒子表面的不同位置。如果在半导体颗粒表面已经存在被吸附的有机或无机污染物，表面电荷迁移过程在半导体光催化中起重要的作用。因为空穴(h+)和电子(e-)能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的污染物发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷捕获，也可能直接复合。空穴(h+)和电子(e-)在半导体TiO2催化剂粒子内部或表面的光催化氧化还原反应机理如图4所示。 

 

图4 半导体光催化氧化还原示意图

如图所示，(A)为半导体被吸收能量大于禁带宽度的光子激发后所产生的大量光生电子(e-)迁移到半导体粒子表面与空穴(h+)复合的过程，而(B)为光生电子(e-)迁移到粒子体内与空穴(h+)相遇而复合的过程。由于(A)和(B)属于直接复合过程，对光催化反应不产生任何影响，因此光生电子和空穴的直接复合是光催化反应效率不高的主要原因。(C)为激发产生的光生电子(e-)迁移到粒子表面与电子受体A反应的过程，而(D)为激发产生光生空穴(h+)转移到粒子表面与电子给体D反应的过程。(C)和(D)过程要满足导带电位要比E(A/A-)偏负和价带电位E(D+/D)偏正的热力学条件。对光催化氧化还原反应真正起作用的正是(C)和(D)过程。 

锐钛矿相纳米TiO2的光生空穴(h+)的电势大于3.0eV，比KMnO4、Cl2(1.36eV)、O3(2.07eV)，具有很强的氧化性。光生空穴(h+)能够与吸附在催化剂粒子表面的OH-或H2O发生氧化反应生成·OH。·OH是一种活性更高的氧化物种，能够无选择地氧化多种有机或无机污染物并使之降解成为无毒或毒性很低的物质，通常认为是光催化反映体系中的主要活性氧化物种。光生电子(e-)也能够与O2发生还原反应生成HO2·、H2O2、O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。半导体纳米TiO2光催化氧化还原反应假设机理如下： 

 

半导体光催化反应速率和量子产率的提高，需要满足导带电位要比E(A/A-)偏负和价带电位比E(D+/O)偏正的热力学限制，还要有效地抑制光生电子(e-)和空穴(h+)复合。从化学观点看，通过掺杂金属离子可以有效抑制光生电子(e-)和空穴(h+)直接复合。金属离子是电子的有效捕捉体，可捕获导带中的电子(e-)，因此减少了光催化剂TiO2表面的光生电子和光生空穴的直接复合，从而使光催化剂TiO2激发产生更多的·OH、O2-·等活性自由基，从而达到提高催化剂活性的目的。 

 

图-5 工作原理效果图