氣相光催化反應受到很多因素的影響,總結(jié)起來可分為兩大部分,一是催化劑本身的性質(zhì),二是外部反應條件。對于催化劑本身的性質(zhì),其主要由催化劑的制備方法決定,此處主要介紹外部反應條件對光催化反應的影響。
01光強的影響
光催化氧化研究多以主波長為254nm的紫外殺菌燈和主波長365nm的黑燈管作為光源,研究表明,當光的波長低于300nm時,會有殺菌的效果,而在260nm附近時對細菌的殺滅效果會更加明顯。DNA對這個波長范圍的紫外線吸收很強,因此主波長254nm的殺菌燈會對人的眼睛和皮膚造成傷害,甚至引發(fā)皮膚癌。如果將其應用到室內(nèi)空氣污染凈化實踐中,需要采取必要的控制措施。同時,主波長254nm的紫外線燈在其工作過程中,會與空氣接觸產(chǎn)生臭氧,造成二次污染,對人體造成傷害。
02污染物濃度
污染物的初始濃度會影響TiO2光催化降解的效率。如果氣相中有機污染物的初始濃度過高,則不利于反應的進行。原料中三氯乙烯濃度較高時會導致催化劑失活,這些失活現(xiàn)象主要是由于反應中間物在催化劑表面上吸附并占據(jù)了活性位所致,采用不含有機污染物的濕空氣并同時用紫外光照射,可以使吸附的中間產(chǎn)物脫附或被氧化,從而使催化劑得到再生。
03反應溫度
一般而言,反應溫度的升高有助于化學反應的進行,是提升化學反應速率常見的方法。反應溫度的升高對光催化反應速率會產(chǎn)生促進、抑制和先促進后抑制三種不同的作用。反應溫度對光催化反應的影響,可以分別從溫度對光催化劑表面反應(吸附反應、化學反應和脫附反應)、光催化劑表面活性以及光催化反應機制的影響等幾方面加以歸納。
04反應濕度
水蒸氣在光催化反應中起著重要作用,在TiO2表面有被吸附的水分子也有由化學吸附的水形成氫氧基。一般而言,在有水蒸氣存在的條件下,水分子會解離吸附在Ti4+上形成氫氧官能基,氫氧官能基除與表面空穴結(jié)合(釋放電子給光催化表面空穴)形成高反應性的氫氧自由基·OH,借以促進有機物的分解外,也可以吸附水和有機物分子成為光催化反應的活性位置。表面氫氧自由基在光催化反應過程中起著重要作用,因此氣相中水蒸氣濃度對反應速率有顯著影響。
從許多研究結(jié)果可以推斷,在其他條件(光強、催化劑等)不變的情況下,水蒸氣濃度從低到高,光催化反應速率經(jīng)歷了兩個過程:一方面在低濕度條件下,隨著水蒸氣濃度的增加,光催化反應速率相應增加;另一方面在高濕度條件下,隨著水蒸氣濃度增加,光催化反應速率相應減小??蓪⒌谝粋€過程稱為羥基自由基濃度控制過程。即在極低濕度條件下,羥基自由基的生成控制著反應速率的大小,濕度提高會加快羥基自由基的產(chǎn)生。第二個過程為競爭吸附控制過程。反應速率的大小受污染物同水蒸氣競爭吸附的影響,濕度增加,污染物在催化劑表面的吸附量降低,反應速率降低。
05反應氣體中氧含量
氧氣是光催化反應的必需因素,O2是氧化劑,同時也是良好的電子捕獲體,吸附在催化劑表面的氧分子會參與反應并消耗掉電子,也會增大禁帶的寬度,使得電子-空穴對的復合受到抑制,從而促進氧化能力。在高氧濃度時,反應速率與氧氣濃度關(guān)系不大。
06反應停留時間
反應停留時間對光催化分解有機物的影響,即為反應物與光催化劑接觸時間越長,光催化反應效果就越好。但反應停留時間增長會加大反應器的尺寸,空間上受到限制。因此,需要通過實驗確定最佳停留時間。