TiO2@MOFs材料的制备和性能研究文献综述
2020-04-13 15:27:44
近10年来,水和废水中有毒有害污染物(包括有机氯化物及含氮有机化合物)的光催化降解技术已作为一种深度强化处理技术而得到研究[1-6 ]。研究表明,利用TiO2进行光催化氧化处理,可有效地将大多数有机氯化物及多种杀虫剂、除莠剂、表面活性剂,致色基团等彻底氧化为CO2、HCl和水等无毒产物或易生物降解的物质,从而为水和废水处理开辟了新的研究领域,为解决复杂高分子及有毒有害污染物的处理开辟了新的前景[7]。但在实际的生产应用中,采用细颗粒悬浮态TiO2将遇到难以回收和循环使用的问题,因而难以在工程中得到实际应用。目前有很多研究和实际应用的载体,好的载体材料一般应满足以下条件:能透过可见光;与TiO2表面物化健结合牢固且对TiO2催化降解性能无任何不良影响;比表面积大;对水中有机物具有强的吸附能力;利于固液分离;化学性质稳定。金属-有机骨架( metal-organic frameworks,MOFs ),是由金属离子或簇和有机配体通过配位作用自组装形成的网状骨架结构。由于MOFs所特有的高度发达的孔隙结构,使得它具有超大的比表面积。此外,金属元素和有机配体种类以及配位方式的多样性决定了MOFs种类和功能的多样性(如磁性、手性、光学性质和催化作用)。通过对已合成的MOFs进行后修饰,可获得结构、种类及性质功能更为多样的MOFs,为MOFs在各领域的应用提供了更多的可能。与传统的无机分子筛相比,MOFs在物理性质方面,拓扑结构特殊,内部排列规则;化学性质方面,由金属和有机配体组成的MOFs对有机分子和有机反应具有更大的反应活性和选择性。与沸石类材料相比,MOFs制备简单且热稳定性好。因此,MOFs材料是用作TiO2的最好的载体。
二、机 理
2.1 TiO2 光催化的机理
在光照(自然光或人工光源)的照射作用下,TiO2可在10-2秒之内由化合价带(VB) 释放一个电子至传导带(CB),并在VB 键处产生一个”h ”空穴。这个过程是在能量等于或大于键隙能3.2 eV 时TiO2的紫外光作用下发生的,其反应过程见式(1)。[8-9]
2 hv TiO2 → TiO2 (2 e- 2 h ) (1)
”h ”空穴的产生导致在TiO2半导体的表面在极短的时间(几微秒)内与水或羟基反应而形成具有极强反应活性的自由羟基官能团(#183;OH)或直接与水中的污染物(P)反应[10]。其反应过程见式2、3、4。
h VB H2 ----- #183;OH H (2)
h VB OH------ #183;OH ad (3)
h VB P ----- P (4)
一般认为,反应过程中产生的自由羟基官能团(#183;OH)不仅与”h ”空穴紧密结合,而且其数量与由于光照而产生空穴数量相等。在TiO2 表面产生的自由羟基具有较宽的吸收光谱区,其最大吸收波长可以达到350 nm。