TiO2光催化降解塑料的基本原理—一篇配合新课标高中化学的补充教学材料

陈宏欣 王明召

TiO2光催化降解塑料的基本原理—一篇配合新课标高中化学的补充教学材料

陈宏欣 王明召

“白色污染”已成为一个全球性的环境问题。将光催化剂掺入塑料中，可制备出环境友好的光降解塑料，它在一定的使用期内具有期望的功效，而在超过使用期后，或在远未达到使用寿命期而被废弃后，在光照条件下能迅速自动分解。这种聚合物材料的自动光降解，通常需要特定的光催化剂，在催化剂的作用下，经光化学反应而降解。目前，这种方法已经成为解决“白色污染”问题的一个有效途径[1]。TiO2是一种较早研究的固相光催化剂，它具有高活性、高稳定性、低成本和无毒等优点[2]，已广泛应用于塑料的处理。

一、TiO2为什么具有光催化作用

TiO2的能级结构如图1所示，其价电子所占据的能级称为价带，未填充电子的能级称为导带。导带和价带之间存在一个能量间隙，称为禁带，宽度为3.2 eV。当半导体材料TiO2吸收了等于或大于3.2 eV的光能时，价带上的电子可以跃迁到导带上，在导带上生成一个光生电子e—，价带上则留下一个空穴h+。

图1 TiO2的光催化原理示意图

在潮湿空气中，光生电子和光生空穴在聚合物膜表面上分别与氧气和水反应。光生电子具有很强的还原性，它可以将聚合物膜表面的氧气还原，成超氧自由基(自由基是具有单电子的物质)•O2—。而•O2

—经一系列反应产生•OH自由基。

而空穴具有强氧化性，它可以将OH—(包括H2O中的OH—)氧化，也产生自由基•OH。•OH自由基的氧化能力很强，是塑料光催化氧化降解过程的主要氧化剂[3]。……