三氧化钨光催化剂制备及应用

何为光催化剂(Photocatalyst)?其实,普遍大家会叫它光触媒多一些,它是能产生光催化效应的一类物质。我觉得光催化作用其实就是光合作用的逆向过程,叶绿素通过光合作用将二氧化碳和水等无机物转化成有机物;而光触媒则利用光发生光催化效应,将甲醛、乙醛等有机污染物分解飞二氧化碳和水。

光催化制氢

光催化制氢

最早发现光催化效应的是日本藤岛昭,如今,光催化技术作为一个崭新的技术领域,是光化学和催化化学的结合产物。光催化的原理是当光触媒受到能量大于禁带宽度的光照射后,其价带上的电子(e-)受到激发,越过禁带进入导带,在价带留下带正点的空穴(h+)。光生空穴具有强的氧化性,光生电子具有强还原性,二者可形成氧化还原体系,从而产生催化效应。

三氧化钨(WO3)光催化剂的制备方法有很多,如固相法、液相法、气相法、超声化学法等。事实上,单一三氧化钨光触媒的催化效果并不好,研究中往往会加入其它物质(如二氧化钛、稀土氧化物等,形成复合体系,从而提高光催化活性;另外,掺杂也是提升光触媒活性的有效手段,比如掺杂钇(Y3+)、镧(La3+)、铕(Eu3+)等,适当控制其掺杂量,均能够不同程度的提高三氧化钨催化剂的活性。

值得一提的是,在三氧化钨中加入少量的金属W粉也能够提高光触媒的催化活性。这不仅是由于金属的催化性质,还由于电子在金属的富集,减少了半导体表面电子的浓度,从而减少电子与空穴在半导体表面的复合,加速了电子的传递,提高半导体的光催化活性。而且,实验证明,1%的量是最为佳的添加量,超出的量越多对催化活性的降低效果越明显。

光触媒净水

光触媒净水

光触媒有许多方面的应用,在民用方面,以液态光触媒喷液以及烧铸光触媒薄膜最为常见,起到空气净化、抗菌和杀菌、除臭、自洁等作用;从宏观方面上,三氧化钨光触媒可以应用于处理无机污染物(如降解燃料废水、造纸废水等)。

同时,光触媒在光解水制氢方面也大有作为。随着能源消耗的不断增加,化石燃料已然无法满足人类对能源的巨大胃口,因此,寻找新型能源变得十分紧迫。早在1972年,日本就有关于光分解水制备H2的报道,揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性。一般认为,光催化活性是由催化剂的吸收光的能力、电荷分离和向底物转移的效率共同决定的,三氧化钨吸收光的能力越强,光催化反应的活性也就越高。