大面積光催化太陽光模擬器

 

　　光催化是光化學(xué)和催化科學(xué)的交叉點,，一般是指在催化劑參與下的光化學(xué)反應(yīng),。半導(dǎo)體材料之所以具有光催化特性，是由它的能帶結(jié)構(gòu)所決定,。半導(dǎo)體的晶粒內(nèi)含有能帶結(jié)構(gòu),，其能帶結(jié)構(gòu)通常由一個充滿電子的低能價帶(valent-band，VB)和一個空的高能導(dǎo)帶(conduction band,，CB)構(gòu)成,，價帶和導(dǎo)帶之間由禁帶分開，該區(qū)域的大小稱為禁帶寬度,，其能差為帶隙能,，半導(dǎo)體的帶隙能一般為0. 2 ~3. 0 eV。當(dāng)用能量等于或大于帶隙能的光照射催化劑時,，價帶上的電子被激發(fā),，越過禁帶進入導(dǎo)帶，同時在價帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴,，即生成電子/空穴對,。由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長,，在電場作用下或通過擴散的方式運動,，與吸附在催化劑粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷俘獲,?？昭ê碗娮釉诖呋瘎﹥?nèi)部或表面也可能直接復(fù)合。因此半導(dǎo)體光催化關(guān)鍵步驟是：催化劑的光激發(fā),，光生電子和空穴的遷移和俘獲,，光生電子和空穴與吸附之間表面電荷遷移以及電子和空穴的體內(nèi)或表面復(fù)合,。光催化反應(yīng)的量子效率低是其難以實用化為關(guān)鍵的因素。光催化反應(yīng)的量子效率取決于電子和空穴的復(fù)合幾率,，而電子和空穴的復(fù)合過程則主要取決于兩個因素：電子和空穴在催化劑表面的俘獲過程,；表面電荷的遷移過程。
 

　　1972年,，F(xiàn)ujishima A等,，報道采用TiO2光電極和鉑電極組成光電化學(xué)體系使水分解為氫氣和氧氣，從而開辟了半導(dǎo)體光催化這一新的領(lǐng)域,。半導(dǎo)體光催化開始研究的目的只是為了實現(xiàn)光電化學(xué)太陽能的轉(zhuǎn)化,，之后研究的焦點轉(zhuǎn)移到環(huán)境光催化領(lǐng)域。1977年Frank SN 等首先驗證了用半導(dǎo)體TiO2光催化降解水中*化物的可能性,，光催化氧化技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用成為研究的熱點,。20世紀80年代初期，以 Fe2O3 沉積TiO2為光催化劑成功地由氫氣和氮氣光催化合成氨,，引起了人們對光催化合成的注意,。1983年，芳香鹵代烴的光催化羰基化合成反應(yīng)的實現(xiàn),，開始了光催化在有機合成中的應(yīng)用,。光催化開環(huán)聚合反應(yīng)、烯烴的光催化環(huán)氧化反應(yīng)等陸續(xù)有報道,，光催化有機合成已成為光催化領(lǐng)域的一個重要分支。
 

　　相應(yīng)于熱化學(xué),，光催化有機合成反應(yīng)的特點如下：
 

　　1)光是一種非常特殊的生態(tài)學(xué)上清潔的“試劑”,；
 

　　2)光化學(xué)反應(yīng)條件一般比熱化學(xué)要溫和；
 

　　3)光化學(xué)反應(yīng)能提供安全的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境,，因為反應(yīng)基本上在室溫或低于室溫下進行,；
 

　　4)有機化合物在進行光化學(xué)反應(yīng)時,不需要進行基團保護；
 

　　5)在常規(guī)合成中,，可通過插入一步光化學(xué)反應(yīng)大大縮短合成路線,。 因此，光化學(xué)在合成化學(xué)中,，特別是在天然產(chǎn)物,、醫(yī)藥、香料等精細有機合成中具有特別重要的意義,。
 

　　光催化的研究方向：
 

　　1)水污染治理
 

　　隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,，環(huán)境污染問題日趨嚴重，水污染是其中重中之重,。相比傳統(tǒng)水污染治理方法,，光催化法綠色環(huán)保,、無二次污染。除了常見的各種染料,，如亞甲基藍 (MB),、羅丹明 B (RhB)、甲基橙 (MO) 等,，其他無色的污染物,，比如雙酚 A(BPA)，或者各種抗生素農(nóng)藥等都可以降解掉,。此外,，光催化還可以將水體中的有毒重金屬離子，如 Cr6+,、Pt4+,、Au3+ 等還原為低價離子，減弱其毒性,。
 

　　2)水分解
 

　　傳統(tǒng)的化石能源儲量有限,，且燃燒后會造成溫室效應(yīng)和環(huán)境污染，如何制造清潔可再生能源是研究熱點,。利用光催化將水分解為 H2 和 O2,，用氫能源取代化石能源，生態(tài)環(huán)保,、成本低,。但目前產(chǎn)氫效率還比較低，距離實際工業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走,。
 

　　3)CO2 還原
 

　　隨著大氣中 CO2 濃度不斷增加,，溫室效應(yīng)越發(fā)明顯，*端氣候頻發(fā),，如何降低大氣中 CO2 含量是函待解決的重大問題,。利用光催化技術(shù)，將 CO2 還原為甲烷,、甲醇,、甲酸等有機化合物，具有很高的應(yīng)用價值,。
 

　　4)空氣凈化
 

　　空氣中含有的污染物主要有氮氧化物 (NO2,，NO 等)，硫氧化物(SO2,，SO3 等),，各種揮發(fā)性有機化合物(乙醛、二甲苯,、*醛,、甲苯,、苯等)。目前處理空氣污染常見方法為物理吸附或者借助貴金屬降解,，物理吸附適用面廣,，但只適合于濃度較高污染物；貴金屬降解成本高,，且條件苛刻,，耗能高，效率低,，只適用于有經(jīng)濟條件的工廠,。光催化作為一種新型的綠色環(huán)保技術(shù)，成本低,，適用面廣,，顯示出廣闊應(yīng)用前景。
 

　　5)抗菌
 

　　抗菌材料分為有機和無機兩類,，而有機材料抗菌性弱,、耐熱性差、穩(wěn)定性較差等特點限制了其使用,，并逐漸被無機抗菌材料取代,，而負載有銀、銅等金屬離子的無機殺菌劑能使細胞失去活性,，但細菌被殺死后,，可釋放出致熱和有毒的組分，如內(nèi)毒素,。而 TiO2 等光催化劑不僅能殺死細菌,，還能*降解有毒組分。
 

　　6)有機合成
 

　　傳統(tǒng)有機合成經(jīng)常使用到有害有毒或者危險試劑,，且一些反應(yīng)條件苛刻，而光催化有機合成反應(yīng)條件溫和,，具備高選擇性,，簡單環(huán)保，成為有機合成研究熱點,。目前,，光催化在有機合成中的應(yīng)用有：
 

　　(1)醇，胺,，烯烴和烷烴的氧化或芳香族化合物羥基化反應(yīng),；
 

　　(2)用親核試劑活化、官能化 α-C-H 鍵以構(gòu)建新的 C-C 或 C-X(X = O,，N 或 S)鍵,；
 

　　(3)將硝基苯還原成氨基苯或偶氮苯等等,。
 

　　當(dāng)然光催化的研究方向絕不止上面提到的這些，比如自清潔,、太陽能電池等等,。總而言之,，光催化是一個充滿朝氣與挑戰(zhàn)的領(lǐng)域,，其中一些技術(shù)能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的話，將對人類生活帶來莫大的改善,。
 

　　大面積光催化太陽光模擬器參數(shù)：
 

　　1光譜范圍：350nm-2500nm,，可選配延長至14μm
 

　　2光斑面積：30cm-10米(可定制)
 

　　3空間不均勻度：+/- 5%(ASTM E927)。
 

　　4照度：6萬lux-10萬lux可調(diào)(可以做道20萬lux)
 

　　5光功率：1000w/m²-2000 w/m²
 

　　6.光譜匹配度：除700-800nm以外在400-1100nm范圍內(nèi)均為A即
 

　　7 增大光照強度可以直接更換大功率燈泡無需更換電源
 

　　8 電源采用特殊設(shè)計可以有效延長燈泡使用壽命