太阳能的利用一一光化学转换
化学先生 / 2019-09-04
光化学转换是光化学降解和光化学合成，目前研究和应用热点是有机物光化学降解领城。光化学降解分为直接光化学降解和光催化降解。直接光化学反应是有机物分子直接吸收光能造成自身裂解的方式: A+hv→A•→产物。
1945 年Gunther发现，p，p＇-DDT在田间受自然光照射会导致p.p＇-DDT的分解。从此农药的直接光化学降解研究就在杀虫剂、除草剂及杀菌剂等各类农药中展开。利用太阳光直接光化学降解对有机物有选择性且效率不高，因面应用研究较少。
TIO2光催化研究起源于1972年日本科学家Fujishima和Honda用TiO2薄膜为电极，利用光能分解水的实验。1976 年，J H Carry报道了TiO2光催化氧化法用于污水中PCB化合物脱氯去毒的成功结果后，半导体TIO2光催化技术被用于水处理领城的各个方面。纳米TiO2以其性质稳定、无毒、催化活性高、价廉等特性而成为较理想的催化剂，它对难降解的有机物具有很好的降解作用，能处理多种有机和无机污染物，因此，具有广阀的应用前景。TiO2光催化反应机理: TiO2属于一种n型半导体材料，TiO2的禁带宽度为3.2eV,当它受到波长小于或等于387. 5nm的光线照射时，价带中的电子就会被激发到导带上，形成带负电的高活性电子e-。同时在价带上产生带正电的空穴h+(h+的氧化电位以标准氢电位计为3.0V,比起氯气的1.36V和臭氧的2.07V，其氧化性要强得多)形成电子-空穴对的氧化-还原体系。在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。 分布在表面的空穴h+可以将吸附在 TiO2的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基(•OH,其标准电极电位为2. 80V)。•OH的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物，将其最终降解为CO2、H2O等无害物质，•OH甚至能够氧化细菌体内的有机物生成CO2和H2O。而另-方面TiO2表面高活性的电子e-则具有很强的还原能力，可以还原除去水体中的金属离子。
半导体纳米TiO2光催化的基本原理可用如下反应式表示:
TiO2+hv →TiO2+e- +h+
h+OH- →•OH
h+ +H2O→•OH+H+
e- +02→O2-
O2- +H+→HO2•
2HO2•→O2+ H2O2
H2O2+02- →•OH+OH- +02
•OH+有机物→高活性中间体 →…→ CO2 +H2O+(HX- )
进人20世纪90年代后，发表了很多关于TiO2光催化剂可将环境中的有害物质分解成CO2、H2O等无害物质的研究报告和研究成果；1997 年Goswami列举了300种可被光催化处理的有机物。目前已有1000多家日本企业进行光催化的应用开发，欧美及我国很多学者也在进行这方面的研究开发，并取得了很好的，可实用化的研究成果。受技术、经济等多种因素的制约，目前太阳能的应用研究还处在发展阶段，但其市场潜力巨大。
太阳能技术将是新能源技术的重要组成部分。随着人们对可再生能源认识的提高以及太阳能市场的逐渐成熟，太阳能光电转换、光热转换以及太阳能光电、光热综合应用与建筑的结合，其应用前景将十分广阔。
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