光热转换材料表面选择性生长催化剂研究文献综述

 2021-10-24 03:10

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光热转换材料与光催化材料对水源的净化综述

1.前言

随着人类社会的不断发展，对能源的使用量日益增加，然而三大化石燃料煤、石油、天然气均为不可再生能源，不足以维持人类社会长时间可持续发展，因此必须开发利用新的能源。太阳能作为一种清洁能源，每年到达地球表面的太阳辐射能相当于130万亿吨煤，总量十分巨大，逐渐得到了人类的重视，太阳能技术正在持续发展。光热转换材料可以将太阳光的光能转换成热能，可用于海水蒸馏净化、太阳能热水器等等。光催化材料可以利用太阳能进行光催化水分解和有机污染物的分解等等。地球上的淡水资源并不丰富，利用光热转换材料和光催化材料，可以实现对盐水、微咸水和受污染的水进行淡化或净化，进而转化为可用的淡水资源【1,2】。

2.光热转换材料

太阳能可以通过光伏、光化学和光热技术被利用并转化为各种能源形式，包括电力、化学（燃料）和热能。在这些技术中，光热是一种直接转换过程，具有最高的可实现转换效率。光激发产生光热效应导致部分或完全的热能生产。在贵金属和半导体等无机材料以及碳基材料、染料和共轭聚合物此类有机材料中可以观察到这种效应【1】。朱盟盟等人【3】用锑掺杂二氧化锡（Antimony doped Tin Oxide，ATO），制备了ATO/C复合膜，当ATO/C质量比例为1:1.694时，在可见近红外光区的太阳能吸收率均高达96%以上，复合膜在下部有隔热层的情况下，在一个太阳光强下的水蒸发速率高达1.12 kgm-2h-1，相应的太阳能蒸汽产生效率为68.9%，具有很好的水蒸发性能。高东山等人【4】用络合溶胶-凝胶法制备了钙钛矿型氧化物Sm0.5Sr0.5CoO3-δ（SSC5），该样品经过光学性能测试，其选择性吸收比达到了3.74,SSC5陶瓷片的吸收率和发射率分别为0.71和0.19。韦玲等人【5】用Bi2O3对SSC5进行掺杂改性，用高温固相法制备了( Sm1-xBix) Sr0. 5Co O3-δ，光学性能测试显示随着Bi3 掺量的增加,材料的光学吸收率由0. 73增大到0. 87,发射率由0. 34 增大到0. 80。

3.光催化材料

3.1.光催化原理

在TiO2，ZnO等半导体光催化材料中，当大于或等于其能带间隙的光照射到其纳米粒子上时，价带的电子受到激发，将越过禁带进而进入导带，在原来价带的位置留下一个空穴，形成了电子（e-）空穴（h ）对，这些电子和空穴能够使材料表面的OH和O2等发生反应形成OH和O2-等自由基，这些高活性的自由基能够使材料表面的有机物分解成CO2和H2O等小分子物质，达到分解有毒有害的有机物的作用，从而可以用于污染物的处理等方面【6,7,8】。利用光催化材料的光催化作用几乎可以分解所有的有机化合物，具有广谱性,并且反应条件温和,操作便利，不产生二次污染,对低浓度有机废水的处理具有无比的优越性【9，10】。光催化材料纳米ZnO降解有机污染物机理如下图：

然而，光生电子和空穴极易复合，从而减少了生成OH和O2-等自由基的数量，降低了光催化的效率【7,11】。

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