
Driessen等[13]研究了干净表面的催化剂和表面被吸附物覆盖的催化剂对TCE的PCO降解反应,认为反应的机理与催化剂表面吸附物的覆盖程度、表面活性点和表面羟基的可用性有关;表面吸附水与羟基自由基并非引发PCO反应的活性物种,而是参与和表面吸附物种(如副产物光气)的进一步反应。作者也提出了活化的氧物种O*进攻的机理。
Sun-Jong Hwang等[14]利用原位固态核磁研究了TCE在TiO2表面的降解,检测出三种新的中间体。根据实验结果,作者认为反应是由光活化的氧物种(很可能是O2-,它在O-、O2-、O3-三种自由基中最为稳定)直接进攻TCE的双键引发。氯自由基在反应中也很重要,其引发的链反应受与实验条件有关的一些因素影响。
5 反应动力学的研究
半导体表面的光催化反应涉及反应物的吸附、表面反应、产物的脱附,是一个复杂的物理化学过程。一般认为,半导体表面光生电子的转移是反应的决速步。
常用的动力学方程式是Langmuir-Hinshelwood吸附等温式。对气相光催化反应动力学的研究主要有以下几个方面
5.1 反应底物的吸附
气相反应中,卤代烃在光催化剂表面的吸附行为服从L-H吸附等温式。由于光生电子和空穴的重组发生在很短的时间内(皮秒级),为了达到高效降解,反应底物必须预先吸附在光催化剂表面。反应底物有时可作为光生空穴的捕集试剂,抑制光生载流子(电子和空穴)的重组。
Phillips和Raupp[8]认为在没有紫外光照的条件下,TCE在TiO2表面并不发生显著的化学吸附。同样条件下,Larson等[15]的TPD研究结果表明,TCE在TiO2表面只发生微弱的吸附,并在室温下脱附而不发生降解;随着温度升高,TCE的脱附加快,因此升温并不利于光催化降解反应。作者还发现光催化剂表面预吸附的二氯乙酰基氯(DCAC)会抑制TCE的吸附,DCAC的降解产物也能抑制TCE的吸附。由于DCAC是TCE光催化降解普遍的副产物,随着光催化反应的进行,光催化剂表面吸附物的积累会导致催化剂的失活。
5.2 水蒸气浓度的影响
TiO2表面存在由解离化学吸附水得到的羟基、微弱的和强烈键合在表面的分子形态的水。对水在气相PCO过程中所扮演的角色众说纷纭,总的看法是少量的表面吸附水对保持光催化剂的活性很重要;但当水的浓度较高时,由于其对反应活性点的竞争性吸附,反而会抑制催化剂的活性。
Raupp[3]等对TCE的光催化降解研究表明水对保持催化剂的活性很重要。Bickley和Stone[16]认为吸附水增强了氧气的光吸附。他们发现在高温下,长时间的脱气处理降低了金红石的活性,但水蒸气可部分恢复其光活性,原因是吸附水离解得到的表面羟基可有效捕集空穴,从而增加催化剂的光活性。Boonstra和Mutsaers[17]发现催化剂表面存在的羟基数目和氧的吸附量存在线性关系,并认为表面羟基是氧在催化剂上吸附的唯一动力。
Chung-Hsuang Hung等[18]详细研究了水对TCE的气相光催化降解的影响,发现在相对湿度小于20%的情况下,水的存在并不影响TCE的降解,且主要的产物和中间体与无水条件下一致。但随着相对湿度的进一步增大,TCE的转化率则会显著降低。
Anpo等[19]结合ESR和荧光谱研究了TiO2、ZnO、Pt/TiO2的光催化活性,认为水在催化剂表面的吸附减弱了表面的能带弯曲,增强了光生电子和空穴的重组几率,降低了催化剂的活性(对ZnO有更大的影响)。基于此,水可认为是有效的电子-空穴重组中心。
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