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半導體的能帶結構通常是由一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能價帶構成,它們之間的區域稱為禁帶。禁帶是一個不連續區域。重慶廢氣治理發現,當能量大于或等于半導體帶隙能的光波輻射此半導體催化劑時,處于價帶的電子(e)就會被激發到導帶上,價帶生成空穴(h+),從而在半導體表面產生具有高度活性的空穴/電子對。
TiO2 的帶隙能為 3。2ev,相當于波長為 387。5nm光子的能量,當TiO2 受到波長小于 387。5nm的紫外光照射時,處于價帶的電子就會被激發到導帶上去,從而分別在價帶和導帶上產生高活性的光生空穴和光生電子。在電場的作用下,電子與空穴發生分離,遷移到粒子表面的不同位置。
熱力學理論表明,分布在TiO2表面的空穴可以將吸附在其表面的OH-和H2O分子氧化成·OH。而電子(e-)具有很強的還原性,可使得TiO2固體表面的電子受體如O2 被還原。
O2 既可以抑制光催化劑上電子和空穴的復合,提高反應效率,同時也是氧化劑,可以氧化已經羥化的反應產物,是表面羥基自由基的另一個來源。
締合在Ti4+表面的·OH的氧化能力是水體中存在的氧化劑中Z強的,能夠氧化大部分的有機污染物及部分無機污染物,將其Z終降解為CO2、H2O等無害物質,并且對反應物幾乎無選擇性,因而在光催化氧化中起著決定性的作用。
從理論上說,只要半導體吸收的光能大于等于其帶隙能,就能被激發產生光生電子和光生空穴,該半導體就可以作為光催化劑,但從實際來看,一個具有實際應用價值的半導體光催化劑必須具有化學穩定性、光照穩定性、高效性和選擇性及較寬的光譜響應,同時還要考慮到材料成本和光匹配性等因素。