??? 1、光催化法的產(chǎn)生與機理
??? 1972年Fujishima等發(fā)現(xiàn)受輻照的二氧化鈦(TiO2)微粒可以使水發(fā)生持續(xù)的氧化還原反應(yīng)并產(chǎn)生氫氣，揭開了多相光催化研究的帷幕。此后，光催化氧化技術(shù)得到了廣泛的重視和快速的發(fā)展。TiO2作為一種優(yōu)良的光催化劑，以其低廉的成本，穩(wěn)定的化學性質(zhì)，無毒無害的特征，吸引科學家們不斷探索。
??? 自1976年Carey等先后報道了TiO2水濁液在近紫外光的照射下可使多氯聯(lián)苯完全脫氯去毒、TiO2在多晶極氙燈作用下對二苯酚、I-、Br-、Cl-、Fe2+、Ce3+和CN-的光解過程、TiO2在紫外光照射下有殺菌作用以來，大量的深入研究表明:利用光催化技術(shù)不僅能夠處理多種難降解有機污染物，同時具有很好的殺菌及抑制病毒活性的作用，且不會形成對人體有害的中間產(chǎn)物。TiO2光催化技術(shù)逐漸在水處理領(lǐng)域展現(xiàn)出了誘人的前景，并被認為是當前最具有開發(fā)前景的水處理技術(shù)。然而，TiO2只有在紫外光的激發(fā)下才能表現(xiàn)光催化活性。紫外光發(fā)射裝置構(gòu)造復雜，耗電量大，運行成本高，影響了二氧化鈦光催化氧化技術(shù)在實際工程中的大規(guī)模應(yīng)用。
??? 太陽光是一種清潔。如果多相光催化技術(shù)可以以太陽光為驅(qū)動力，無疑具有強大的工程潛力。但太陽光中紫外光的含量只占3%~5%，因此TiO2直接利用太陽光進行光催化的效率較低。為了改善TiO2對太陽光的利用能力，許多科學家和實驗室都做了大量的研究。當前的研究熱點主要集中在中在兩個方面:一是如何提高TiO2對太陽能的利用效率;二是如何設(shè)計合理的反應(yīng)器，充分利用太陽光能。
??? TiO2光催化氧化機理：
??? TiO2是一種半導體光催化劑，具有銳鈦礦、金紅石及板鈦礦三種晶體結(jié)構(gòu)，其中只有銳鈦礦結(jié)構(gòu)和金紅石結(jié)構(gòu)具有光催化特性。銳鈦礦型TiO2粒子比金紅石型TiO2粒子具有更高的催化活性(200~3 000倍)。
??? TiO2的帶隙能為3. 2 eV，相當于波長為387.5 nm光子的能量，當TiO2受到波長小于387.5nm的紫外光照射時，處于價帶的電子就會被激發(fā)到導帶上去，從而分別在價帶和導帶上產(chǎn)生高活性的光生空穴和光生電子9]。光生電子和光生空穴都有很高的能量，遠遠高出一般有機污染物的分子鏈的強度，可以輕易將有機污染物分解成最原始的狀態(tài)。同時光生空穴還能與空氣中的水分子反應(yīng)，產(chǎn)生羥自由基(·OH)，亦可分解有機污染物并且殺滅細菌、病毒。
??? 2、TiO2對太陽能利用效率的提高
??? 2.1　催化劑的表面修飾
??? TiO2的光催化活性起源于光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對，由于電子-空穴對易于復合，大大降低了光催化降解效率。如果TiO2表面有能接受電子的物質(zhì)，改變氧化還原反應(yīng)過程，有利于電子和空穴的轉(zhuǎn)移，并延長其分離時間，就有可能降低電子與空穴的復合，提高TiO2的光催化效率。根據(jù)半導體的特性，通常采用如下修飾手段:①在半導體微粒表面形成淺電子陷阱，俘獲電子，阻止電子和空穴復合，貴金屬沉積、過渡金屬離子摻雜屬于這類修飾。②利用光敏劑和TiO2形成的量子尺寸效應(yīng)來促進半導體的光生電子-空穴對的生成和分離，使其光激發(fā)響應(yīng)范圍向長波方向移動甚至達到可見光區(qū)，為利用太陽能提供有價值的途徑。
??? 2.2　加入氧化劑
??? 強氧化劑能夠產(chǎn)生·OH，可以作為UV-可見光的一種有效補充，來提高降解速率。向TiO2光催化體系中加入O3、O2、H2O2、Fe3+等氧化劑，能夠俘獲催化劑表面的電子，有效抑制電子和空穴的簡單復合，同時促進·OH的生成。目前常用的強氧化劑有Fenton試劑和Na2S2O8。
??? Fenton試劑是過氧化氫和亞鐵離子的混合溶液，在酸性環(huán)境下，能夠大大提高被吸收的UV-可見光的波長(<580 nm)，但需要在反應(yīng)后去除鐵離子。采用Na2S2O8也可以達到相似的效果，且不需要在反應(yīng)后再除去陽離子，但制備較為麻煩。
??? 2.3　光電催化
??? 光電催化是利用電化學輔助減少電子-空穴對復合的方法，在半導體系統(tǒng)內(nèi)通過加壓可使電荷分離。具體方法是將TiO2薄膜覆蓋在光學透明電極上作為陽極，鉑絲為陰極，飽和甘汞電極為參比電極，構(gòu)成化學電極。在紫外光照射的同時施加電壓，由光照激發(fā)而產(chǎn)生的電子通過外電路流向陰極，將氧化態(tài)組分還原，從而降低電子與空穴的復合速率，提高光催化效率。
??? 3、太陽光反應(yīng)器
??? 直接利用太陽光中的紫外線進行光催化降解有機物，需要增加紫外光的照射強度，這就涉及到如何聚光的問題，于是各類型的太陽光反應(yīng)器應(yīng)運而生。
??? 3.1　聚光式反應(yīng)器
??? 20世紀80年代末，拋物面柱式聚光反應(yīng)器(PTC)曾應(yīng)用于太陽光催化反應(yīng)，它由聚光器、日光跟蹤裝置以及反應(yīng)器三部分構(gòu)成，利用線聚焦方式來吸收光能，光線被聚焦固定到拋物面或拋物槽上的管狀反應(yīng)器中。
??? SERI實驗室在美國的新墨西哥城組裝了第一個中試規(guī)模的反應(yīng)裝置。該裝置由排成一線的6個PTC反應(yīng)器和6個單軸太陽光追蹤器構(gòu)成。凈采光面積為465 m2，可聚集50倍太陽光。緊接著，西班牙PSA實驗室也設(shè)計了一個相似的中試裝置。反應(yīng)器置于小塔樓上，4個平行的拋物槽上裝有32面鏡子，12個雙軸太陽能追蹤器，總面積為32 m2 。