光电化学技术在环课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,段翠娥 硕1072班,*,光电化学技术在环,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,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,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。,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,段翠娥 硕1072班,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。,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,段翠娥 硕1072班,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。,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。,段翠娥 硕1072班,偏电压对光催化降解机理的影响,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,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。,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。,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。,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。,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；,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。,2、光电催化技术对有机污染物的降解作用,段翠娥 硕1072班,段翠娥 硕1072班,太阳能电池、燃料电池,段翠娥 硕1072班,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。,段翠娥 硕1072班,开展了污染有机物降解机理和动力学的研究。,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。,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。,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。,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,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,谢谢,