【正文】 環(huán)境與能源材料—— 二氧化鈦等半導(dǎo)體材料在環(huán)境催化與太陽(yáng)二氧化鈦等半導(dǎo)體材料在環(huán)境催化與太陽(yáng)能利用領(lǐng)域的研究進(jìn)展能利用領(lǐng)域的研究進(jìn)展一、研究背景化石能源的不可再生性 能源問(wèn)題光合作用是唯一可利用 CO2 和水合成有機(jī)物的反應(yīng)－地球上最偉大的反應(yīng)煤、石油、天然氣均是億萬(wàn)年地球運(yùn)動(dòng)積累而成，不能循環(huán)使用，也不可能大量地人工合成，不可能回收。資源分布的不均勻性 石油： 中東地區(qū)的剩余可開(kāi)采儲(chǔ)量約占世界總量的 2/3。煤炭： 美、俄、中占剩余可開(kāi)采儲(chǔ)量 50% 以上 。天然氣： 中東和前蘇聯(lián)地區(qū)剩余可開(kāi)采儲(chǔ)量占 70％以上。 地區(qū)間政治、經(jīng)濟(jì)和軍事沖突的主要原因 能源問(wèn)題億萬(wàn)年形成的化石燃料不過(guò)支持了約 300年的現(xiàn)代工業(yè)文明！如果幾十年里不能發(fā)展出替代能源，石油危機(jī)也就不可避免了。 資源的短缺性 在過(guò)去 100年里，人類消耗了 1420億噸石油和 2650億噸煤，消費(fèi)了世界 56％的石油和 60％以上的天然氣，以及 50％以上的重要礦產(chǎn)資源。 《 BP世界能源統(tǒng)計(jì) 2022》 的數(shù)據(jù)表明，全球石油儲(chǔ)量可供生產(chǎn)40年，天然氣和煤炭則分別可以供應(yīng) 65年和 162年 40年60年160年 能源問(wèn)題能源分類一次能源 (primary energy)： 自然存在的、可以直接利用的能源按產(chǎn)生方式不同 :風(fēng)能 水力能 太陽(yáng)能 地?zé)崮?核 能化石燃料 能源問(wèn)題二次能源 (secondary energy)： 無(wú)法從自然界直接獲取，必須經(jīng)過(guò)一次能源的消耗才能得到的能源。如電力，汽油，煤氣，蒸氣等二次能源 ： 無(wú)法從自然界直接獲取，必須經(jīng)過(guò)一次能源的消耗才能得到的能源。如電力，汽油，煤氣，蒸氣等二次能源 ： 無(wú)法從自然界直接獲取，必須經(jīng)過(guò)一次能源的消耗才能得到的能源。如電力，汽油，煤氣，蒸氣等按可否再利用：可再生能源 (renewable energy)— 不斷獲得補(bǔ)充的能源 ， 如，太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、化學(xué)電源、氫能等不可再生能源 — 一旦開(kāi)采枯竭，便不能再恢復(fù)。 如煤、石油、核燃料等 能源問(wèn)題能源材料：? 與能源開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和利用等過(guò)程相關(guān)的材料 . ? 包括 ：儲(chǔ)能材料、節(jié)能材料、能量轉(zhuǎn)換材料和核能材料 . 能源問(wèn)題 全球每年排放的 CO2 高達(dá) 240億 噸之巨，幾乎未經(jīng)任何處理 !溫室效應(yīng)全球氣候在近幾十年同步變暖，明顯開(kāi)始發(fā)生溫室效應(yīng)。 環(huán)境問(wèn)題目前全球臭氧層正以每年 2% 至 3% 的速度削減，如果任其發(fā)展，在 21世紀(jì)末平流層臭氧含量將降至目前的一半以上，屆時(shí)人類將會(huì)面臨一場(chǎng)空前的浩劫!南極上空的臭氧層空洞 環(huán)境問(wèn)題氣候的變化，將對(duì)全球生態(tài)帶來(lái)不可估量的影響。對(duì)于人類而言，災(zāi)難可能就出現(xiàn)在 “后天 ”大氣污染 環(huán)境問(wèn)題全球每年排放 SO2 ， NOx約為 5千萬(wàn)噸，可吸入粉塵→ 酸雨、光化學(xué)煙霧、呼吸道疾病 ???洛杉磯光化學(xué)煙霧甘肅沙塵暴酸雨效應(yīng)113重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量級(jí)別 環(huán)境問(wèn)題 荒漠化 環(huán)境問(wèn)題森林破壞速度：每年 1130萬(wàn)公頃，以 ?毀滅；荒漠化面積：～地球陸地 1/4。167。 染料廢水： 是目前難降解的工業(yè)廢水之一，其毒性大，色澤深，嚴(yán)重危害了生態(tài)環(huán)境。 環(huán)境問(wèn)題水體污染167。 農(nóng)藥： 我國(guó)每年農(nóng)藥產(chǎn)量大約 20萬(wàn)噸，還從國(guó)外進(jìn)口農(nóng)藥 75萬(wàn)噸。通過(guò)噴施、地表徑流及農(nóng)藥工廠的廢水排入水體中。167。 三峽庫(kù)區(qū)的主要農(nóng)藥污染源依然是有機(jī)磷農(nóng)藥中 “1605”、甲胺磷和有機(jī)氮農(nóng)藥中呋喃丹三個(gè)品種，這三個(gè)品種的排毒系數(shù)之和占總排毒系數(shù)的 % 。? 生物多樣性：每 10年 5～ 10％物種消失。 Ref:國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局 .《 長(zhǎng)江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)公報(bào) 》 14 環(huán)境問(wèn)題15環(huán)境污染的全球化關(guān)注 出路與對(duì)策半導(dǎo)體光催化 是有希望的技術(shù)，可以大量的應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)，例如，空氣凈化，有毒廢水處理，水的凈化等。綠色合成化學(xué) ，如光催化有機(jī)合成 人口和生活質(zhì)量的提高，全球能源消耗每年仍以 2％速度增加，唯一出路是新增部分由可再生能源補(bǔ)充。TW =1012W 出路與對(duì)策尋求可再生、清潔能源可再生能源的特點(diǎn)自然能 (風(fēng)能、太陽(yáng)能等 )的特點(diǎn)：? 周期性：一年四季，早晚變化? 分散性：總體能量巨大，單位面積能量密度很低；? 地域性：人口密集區(qū)往往自然能源不多高效地收集、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存？ 出路與對(duì)策光伏效應(yīng) 光電化學(xué)電池太陽(yáng)能熱利用H OO H222sc Me光 ? 化學(xué)能轉(zhuǎn)化 出路與對(duì)策儲(chǔ)存：化學(xué)相變儲(chǔ)熱、光化學(xué)儲(chǔ)能； 轉(zhuǎn)換：光化學(xué)合成、太陽(yáng)能光解水，熱解制氫； 利用：光電化學(xué)電池 太陽(yáng)能的利用：太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能光解水、甲醇、生物質(zhì)制氫光催化環(huán)境凈化光 催化有機(jī)合成. . . . . . 出路與對(duì)策環(huán)境與能源問(wèn)題的基本解決方案二、光催化的主要理論、一般背景? 有毒廢水通常采用氧化塘，地下儲(chǔ)水池和垃圾場(chǎng)等手段處理。其結(jié)果是使土壤，地下水和地表水被污染。? 污染通常涉及重金屬，運(yùn)載工具燃料，溶劑和去污劑以及有毒有害化學(xué)物質(zhì)等。? 有毒有害有機(jī)物包括： 溶劑，揮發(fā)性有機(jī)物，氯代有機(jī)物，二惡英，三氯乙烯 (TCE)，高氯酸乙烯 (PCE)， CCl4， HCCl3， CH2Cl2， P氯苯，六氯環(huán)五烷二烯 。? 為此， 發(fā)展先進(jìn)的分析化學(xué)，生物化學(xué)，物理化學(xué)技術(shù)消除大氣，土壤，水中的有毒化學(xué)物質(zhì)勢(shì)在必行。? 常規(guī)污染物方法包括：高溫焚燒，活化污泥處理，消化，厭氧消化和一些常規(guī)物理化學(xué)處理。、污染物的處理方法簡(jiǎn)介? 化學(xué)處理方法：1. 化學(xué)氧化法：如， Fenton試劑和臭氧氧化法。2. 樹(shù)脂吸附法：大孔吸附樹(shù)脂具有大比表面、容易再生、能夠回收有機(jī)物等優(yōu)點(diǎn)。3. 乳狀液膜分離：綜合了固體膜分離法和溶劑萃取法的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于分離水溶液中呈溶解態(tài)的有機(jī)污染物。4. 半導(dǎo)體光催化氧化法：、污染物的處理方法簡(jiǎn)介? 1972年， Fujishima 在 n型半導(dǎo)體 TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光催化分解作用，從而開(kāi)辟了 半導(dǎo)體光催化這一新的領(lǐng)域 。? 1977年，發(fā)現(xiàn)光照條件下， TiO2對(duì)丙烯環(huán)氧化具有光催化活性，拓寬了光催化應(yīng)用范圍， 為有機(jī)物氧化反應(yīng)提供了一條新思路 。? 此后，光催化技術(shù)在環(huán)保、衛(wèi)生保健、有機(jī)合成等方面的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，半導(dǎo)體光催化成為國(guó)際上最活躍的研究領(lǐng)域之一。光催化除純化空氣和水外，在殺滅細(xì)菌和病毒類微生物、癌細(xì)胞失活，消除異味，產(chǎn)氫，固氮，捕獲石油泄漏等方面也有廣泛的應(yīng)用。利用納米二氧化鈦的光催化原理處理有機(jī)物，不僅可以直接利用太陽(yáng)能，而且對(duì)有機(jī)物的處理比較徹底，不帶來(lái)新的污染源 、污染物的處理方法簡(jiǎn)介、光催化的基本原理167。半導(dǎo)體材料 在紫外及可見(jiàn)光照射下，將污染物短時(shí)間內(nèi)完全 降解或礦化 成對(duì)環(huán)境無(wú) 害的產(chǎn)物，或?qū)?光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 ，并 促進(jìn)有機(jī)物的合成與分解 ，這一過(guò)程稱為 光催化 。167。半導(dǎo)體光催化氧化降解有機(jī)物的作用機(jī)理：光催化機(jī)理O2 ＋ 175。 → O 2￣ (1)H2O ＋ h+ → OH ＋ H+ (2)OH ＋ OH → H 2O2 (3)H2O2 ＋ O2￣ → OH ＋ OH＋ O2 (4)氧化劑