何鹏 03081110
纳米技术在处理环境
中无机污染物的研究
• 1.概述
纳米材料的特殊性能由于纳米材料的特殊结
构——物质的颗粒尺寸＜100nm的超微粉末，
它的比表面积很大，晶界处的原子数比率高
达15%—50%，使之产生四大效应。具有半
导体特性的金属氧化物纳米粒子，因原有长
程体相的能带量子化，其光物理和光化学性
质发生了变化，在光催化降解污染物方法得
到了广泛的应用。
• 2.纳米粒子的光催化反应及其在处理无机污
染物中的应用
半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的
重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有
机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。
所谓半导体的光催化效应是指：在光的照射下，
价带电子越迁到导带，价带的孔穴把周围环境中
的泾基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧
化剂将醋类变化如下：酯－>醇－>醛－>酸－
>CO2，完成了对有机物的降解。具有这种光催化半
导体的能隙既不能太宽，也不能太窄，对太阳光
敏感的具有光催化特性的半导体能隙一般为
~。
• 光催化反应的机理
纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多，原因在于:由
于量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变
宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。半导体粒子
具有能带结构，一般由填满电子的低能价带和空的高能导带
构成，价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于禁带
宽度的光照射半导体时，价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带，
在价带上产生相应的空穴(h+)，并在电场作用下分离并迁移
到粒子表面。光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，
可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本
不吸收光的物质被活化氧化，电子受体通过接受表面的电子
而被还原。 光催化机理可用下式说明：
TiO2＋H2O →e
-＋h+
h+＋H2O →*OH＋H
+
h+＋OH- →*OH
O2＋e
- →*O2
-，*O2
-＋H+ →HO2*
2HO2* →O2＋H2O2
H2O2＋O2
- →*OH＋OH-＋O2
• 光催化反应的影响因素
催化剂 作为催化反应，光催化反应必然要受
到催化剂种类、催化剂表面与体相结构，以及其他
一些物化性质和催化剂用量等因素的影响，一般而
言，催化剂活性较高，催化剂用量增大，反应体系
的效率提高。
一种催化剂是否具有较高的活性，主要取决于其结
构、晶型、比表面积、颗粒大小、孔隙度以及其表
面羟基浓度，研究表明，TiO
2
是一种最优良的半导
体催化剂，他不但活性高而且稳定性好、锐钛矿型
TiO
2
要比金红石型TiO
2
的还原效率高，TiO
2
超细微粉
要比普通TiO
2
的活性高。
• 酸度的影响 体系的酸度是影响
光催化反应的一个重要因素，它不仅影
响催化剂本身的活性与稳定性，同时影
响着离子及O
2
在体系中的存在形式及相应
的电极电位，从而最终影响光催化反应
的效率
• 有机物电子给体及O
2
的影响 从光
催化氧化还原的机理来看，有机物电子
给体的存在对金属离子的还原起促进作
用，有机物的直接或间接氧化进一步加
速了催化剂表面的电子空穴分离，提高
了金属离子对电子的捕获效率。
光催化反应在处理污染物中的应用
光催化还原金属离子污染物
金属铬是一种常见的工业污染物，常以六价、三价的形式存在。
水体中Cr(Ⅵ)浓度是衡量水质污染指数的重要指标，目前随
着制革、电镀、印染等工业的发展，含Cr(Ⅵ)的工业废水对
环境的污染日趋严重，对Cr(Ⅵ)的处理方法提出了更高的要
求。研究表明，在没有其他电子个体存在下，Cr6+从受光激
发半导体的导带上得到电子还原为Cr3+，同时得到价带上的
空穴发生氧化。
光催化反应处理毒性阴离子
光催化反应处理毒性阴离子，主要是利用光催化剂的光催化活
性，将有毒阴离子（如CN-）氧化为无毒的小分子；或者利用
光催化剂的光催化还原作用，将毒性阴离子（如Cr
2
O
7
2-、
CrO
4
2-）还原为无毒或者毒性较小的物质，目前的研究主要
集中在对CN-、SCN-、Au(CN)
4
-、I-等的处理。
• 光催化反应处理无机污染物虽然有许多优点，但
目前存在以下几点不足：
• （1）目前光催化反应使用的催化剂主要集中在TiO
2
、SrTiO
3
等光催化活性较高的催化剂，对于目前光催化活性较低的纳米
离子，如ZrO
2
、Fe
2
O
3
、SiO
2
、Al
2
O
3
等，目前的报道还很少。
• （2） 光催化反应的条件较复杂，光催化反应需要人工光源并
要求被处理体系具有良好的透光性，光量子效率很低，有的光
催化反应，反应酸度较高，需要向反应体系通入O
2
、Ar或N
2
。
有的反应需要有机物（如醇类物质）存在才能进行，在实际应
用中受到了限制。
• （3） 光催化反应处理污染物的范围还有待进一步的研究及拓
展，目前利用光催化反应处理无机污染物主要集中在对铬、汞、
贵金属，氰化物等的研究上，对于实际中存在的许多的污染物
如砷、硒、镉、锰、铝、副、氟化物、磷酸盐等污染物的处理，
目前报道的极少。目前，利用光催化反应处理无机污染物，还
有待进一步深入研究。
3 纳米粒子的吸附性能及其在无机污染物处理中
的应用
现在普遍认为：纳米粒子的吸附作用主要是由
于纳米粒子的表面羟基作用，纳米粒子表面存
在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表
观上对金属离子或有机物产生吸附作用；另外，
纳米粒子具有大的比表面积，也是纳米粒子吸
附作用的重要原因。pH的变化常常导致纳米粒
子表面羟基的分布，从而影响纳米粒子对金属
离子及有机物的吸附。准确表达被吸附离子和
界面分子相互作用的探测方法理论目前仍在研
究中。
• 4 结束语
• 利用纳米技术处理环境中的无机污染物，具有操作简
便、实用范围广、反应条件较温和、无二次污染等优
点。因此，系统的研究这项技术对于保护环境、维持
生态平衡、实现可持续发展具有重大意义。
• 虽然目前纳米技术在环境处理中的应用还处于实验室
小型反应系统向大规模工业化发展的阶段，有关的半
导体界面/溶液理论和吸附理论还十分落后，但是可以
预见，随着半导体理论的深入研究，，高催化活性、
高吸附选择性纳米材料制备以及工业化反映器的开发
研制，将会使这项技术在污染处理中得到更广泛的应
用。同时，有关理论的深入研究，将会加深材料科学
和分析科学的交叉渗透为在分析科学领域建立高灵敏、
高选择性的分析方法提供依据。
• 参考文献
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