光电化学技术在环境污染治理 中的应用段翠娥 硕1072班段翠娥 硕1072班绪论 1.光电化学是将光化学与电化学方法合并 使用，以研究分子离子的基态或激发态的 氧化还原反应现象、规律及应用的化学分 支。 2.光电化学是光伏打电池（光能转换成电 能）光解和光电合成（光能转换成化学能 ）、光电催化（光能改变电极反应速度和 选择性）等实际应用的基础。 3,光电化学技术与环境科学相结合，形成 了光电化学在环境污染治理中的研究领域 。段翠娥 硕1072班 4.在环境监测、环境污染物治理、清洁生 产、清洁能源等方面的应用研究快速发展 。 5.半导体光电催化技术在常温常压下进行 快速反应，对难降解有机物污染物治理彻 底、无二次污染而成为国际环境净化处理 研究的前沿领域之一。 6.利用光电化学原理可以富集稀有金属和 贵金属，又可以记录和保存信息，还可用 简单的方法随时消去信息，都是发展科学 技术所必需的手段。段翠娥 硕1072班发展历史 1、1839年A.-E.贝可勒尔首先观察到两个等同 的金属电极插在稀酸溶液中，光照其中一个电 极而产生电流的现象，称为贝可勒尔效应。 2、1887年H.R.赫兹在金属真空界面的研究中 发现光电子发射现象。而在电极溶液界面， 电子的光发射效应则演变成为光电化学的一个 研究方向。 3、20世纪50年代中期以后，光发射已发展成 为电化学体系中的一项独立的研究内容。段翠娥 硕1072班 4、20世纪80年代以来,TiO2多相光催化在 环境保护领域内对水和气相有机、无机污 染物的去除方面取得了较大进展。 5、目前半导体光电催化技术在常温常压 下进行快速反应，对难降解有机物污染物 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一。段翠娥 硕1072班光电化学的基本概念 1、研究对象 2、电极 3、光电化学反应基本过程 段翠娥 硕1072班研究对象 电化学主要是研究电能、光 能和化学能之间相互转化及 转化过程中有关规律的学科 。 电能光能化学能段翠娥 硕1072班电极 阴极：目前众多光媒研究中以二氧化钛纳 米粒子为主，但二氧化钛只能吸收波长小 于390纳米的紫外线光，而在太阳光的波 长范围内，紫外线仅仅占据小部分。目前 已有许多研究利用掺混不同金属和非金属 元素于二氧化钛纳米粒子中改变它的能隙 结构，是吸收波长延伸至可见光，扩大光 媒的应用范围。段翠娥 硕1072班段翠娥 硕1072班 阳极：铂Pt 段翠娥 硕1072班光电化学反应基本过程 电极溶液界面的光电子发射 光子辐射到达电极而被电子吸收后，使电 子的能级升高，如果其能量超过电极材料 的功函数，则电子可的双电层结构、电化 学动力学以及含有自由基的均相反应的很 成功的手段，但是它不能实际应用于转变 太阳能为电能，因为它的效率太低。段翠娥 硕1072班 以从表面逸出并与溶剂或溶质起作用。对 这种光电子发射，其光照影响电极的过程 包括以下几步:光发射;发射的电子与 溶剂的热平衡及溶剂化过程,约在10-12秒 内完成；溶剂化电子eS在溶液中的转变 ，即溶剂化电子与溶液中能捕获电子的组 分A起化学反应,这种组分称为捕获剂： eS+A【eA】 段翠娥 硕1072班 产物【eA】在电极附近形成后再进行电 化学和化学反应；如果溶液中无捕获剂 ，溶剂化电子又回到电极，结果光电流接 近零。一般只要未曾特意向溶液中加入电 子受体，电流都很低，这是溶剂化电子与 溶剂以及其中微量杂质（在溶液中难于控 制的杂质）反应而产生的电流。段翠娥 硕1072班与环境问题相关的光电化学应用领域应用领域 内容 二次能源 太阳能电池、燃料电池 环境监测和传 感器 利用光学-电化学技术快速测定某化学物质 的含量、基于化学发光与光电化学技术检 测某基团化合物与DNA的研究腐蚀防护 光电化学技术在金属腐蚀中的研究与应用 、腐蚀检测 、阴极保护、阳极保护污染物的处理 在污水中富集稀有金属和贵金属、催化氧化 水合空气中难降解难去除的有毒有害的有机 物、无机物。 段翠娥 硕1072班光电化学在环境污染治理中的重要性 随着现代工业的发展，有机废水、废 物对环境的影响越来越严重，传统的有机 废水、废物处理方法往往能耗大、降解不 完全、深知会造成二次污染。因此在当今 空气、水污染等日益严重的情况下，光电 化学技术因其使用范围广、氧化处理迅速 彻底等特点而被广泛应用于有机废物尤其 是对有生物毒性或难生物降解的治理中。 段翠娥 硕1072班 其中光电化学氧化技术能有效的长生氧化能力极强的羟基自由基，即可控制有 机物降解使之去除毒性，也可实现有机物 完全矿化至二氧化碳和无机盐，避免二次 废物，用于处理有度高浓度有机废物，可 弥补其他常规工艺之所不能，应用前景十 分广阔。段翠娥 硕1072班段翠娥 硕1072班具体应用实例 1、光催化氧化技术 2、光电催化技术对有机污染物的降解作 用 3、光电一体化处理氯酚废水 段翠娥 硕1072班光催化氧化技术 光电催化技术是一种能有效促进光生电子和 空穴分离,并利用光电协同作用的增强型光催化 氧化技术。长期以来,光催化技术的处理效率始 终难以达到实际应用的水平,主要原因就在于光 生电子和空穴的复合率高,抑制了两者同溶液中 被处理物质的反应。通过外加电场促进光生电 子与空穴的分离,从而提高光催化技术的处理效 率。这种将光化学催化 (光催化)和电化学氧化 法结合起来以达到协同效应的光电结合技术称 为光电催化技术,也称为“ 电助光催化技术” ,是目 前氧化法研究的新热点。 段翠娥 硕1072班段翠娥 硕1072班 光电催化技术作为一种电化学辅助的光催 化反应技术 ,其反应机理是:半导体具有能 带结构 ,由填满电子的价带和空的导带构 成 ,价带和导带之间存在禁带。当用能量 大于或等于禁带宽度的光照射半导体 ( 通 常采用 Ti O2 )时 ,价带上的电子被激发跃 迁至导带而产生空穴 ,光生空穴具有很强 的氧化能力 ,可夺取水分子的电子生成 HO。而 HO是水中存在的氧化剂中反应 活性最强的 ,且对作用物几乎无选择性 ,故 能使多种难于降解的水中有机污染物完全 无机化。段翠娥 硕1072班光电催化技术对有机污染物的降解作用 光电流增强 效应 光电催化体系中的光电流明显存在着光催化与电化 学氧化的协同效应，而且在所考察的范围内( 0 3 0 V) 反应的电压越大则外电场捕获光生电子的能力就越强 偏电压对光催化降解机理的影响 偏电压不仅可以加速有机污染物的降解,而 且还能改变有机污染物降解的机理。 施加偏电 压大大降低了光生电子和空穴的复合速率,以致 产生了更多的光生空穴，使得大部分中间产物 还未及从电极表面扩散到溶液中就已被完全氧 化。 段翠娥 硕1072班 对典型有机污染物的光电化学降解 对有机氯化物光电催化降解，外加偏 电压 可有效抑制光 生电子与空穴的复合 ，明显提高了Ti 02的光催化效率，而且光 照越强则降解速率越 快 。 段翠娥 硕1072班光电一体化处理氯酚废水 在经氟树脂改性的新型二氧化铅大面 积电极上，开展了有毒难降解有机污染。 物处理技术的应用基础研究。采用光化学 氧化技术、阴阳两极的协同电化学处理技 术、光电一体化的复合高级氧化技术对氯 酚进行处理。对模拟污染物一对氯苯酚 (CP)进行光催化氧化降解实验研究。 段翠娥 硕1072班 联合工艺对中间有毒产物如苯醌也能 得到很好的降解。开展了污染有机物降解 机理和动力学的研究。实验借助高效液相 色谱、离子色谱等手段对光电化学反应过 程中产生的活性物种做了分析鉴定，作用 产生的主要为羟基自由基(0H)和H。O。 ，并作了间接定量测定。通过有机物和 COD去除速率与0H反应速率显著相关性 ，证实了羟基自由基对有机物的亲电反应 在光电催化。段翠娥 硕1072班段翠娥 硕1072班