基于TiO2 的光催化材料及其光催化效率的提升

梅俊楠，鄒 軍,2,3,4，楊雪舟，錢(qián) 麒

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院,上海 201418；2.浙江安貝新材料股份有限公司,浙江 湖州 313100；3.江蘇派銳電子有限公司,江蘇 南通 226602；4.天長(zhǎng)市富安電子有限公司,安徽 滁州 239300；5.寧波朗格照明電器有限公司,浙江 寧波 315399；6.惠創(chuàng)科技(臺(tái)州)有限公司,浙江 臺(tái)州 318050）

光催化技術(shù)已成為治理環(huán)境污染的重要新技術(shù)之一。其可以有效地降解常見(jiàn)的有機(jī)污染物，而且過(guò)程清潔環(huán)保，從而避免過(guò)濾與吸附、紫外線直接輻射、臭氧消毒等技術(shù)手段的諸多弊端[1]，例如過(guò)濾與吸附的方式需要經(jīng)常替換材料和清潔濾網(wǎng)，而紫外線直接輻射與臭氧消毒又對(duì)人體有一定的傷害。但在實(shí)際應(yīng)用中，光催化技術(shù)也存在一定的局限性，目前TiO2作為最優(yōu)的光催化材料之一，仍存在對(duì)可見(jiàn)光利用率低、光催化效率低等問(wèn)題。本文從基于TiO2的光催化材料，從材料改性以及光催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)兩個(gè)角度分析了提高光催化材料光催化效率的方法。

1 光催化原理

光催化材料的電子能帶由1 個(gè)充滿電子的價(jià)帶（valence band，VB）、1 個(gè)空導(dǎo)帶（conduction band，CB）和存在于價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的帶隙（Eg）構(gòu)成。當(dāng)光催化材料受到光線照射時(shí)，如果光線中存在一個(gè)能量足夠大的光子（hv≥Eg），則該光子可將光催化材料VB 中的1 個(gè)電子激發(fā)，使其穿過(guò)Eg到達(dá)CB，而原VB 中電子的位置則形成了1 個(gè)空穴，該空穴具有很強(qiáng)大的反應(yīng)活性，會(huì)與吸附在其表面的H2O 或OH-離子發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基。同時(shí)，到達(dá)導(dǎo)帶的電子則會(huì)與空氣中的O2發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生超氧陰離子。超氧陰離子、羥基自由基以及空穴都具有極強(qiáng)的氧化能力[2]，在數(shù)量足夠的條件下，可以切斷絕大多數(shù)有機(jī)物分子的化學(xué)鍵，將有機(jī)物分子進(jìn)行分解，且主要產(chǎn)物為CO2和H2O。所以光催化材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)、細(xì)菌病毒以及惡臭物質(zhì)等污染物的無(wú)害化分解，其原理如圖1 所示。

圖1 光催化原理圖Fig. 1 Schematic diagram of photocatalysis

2 常見(jiàn)的光催化材料

光催化材料是指能在光的作用下產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)的一類(lèi)半導(dǎo)體材料，在環(huán)境污染防治領(lǐng)域，常用的光催化材料包括TiO2、ZrO2、ZnO 和CdS 等氧化物、硫化物半導(dǎo)體材料。Hak 等[3]對(duì)納米TiO2對(duì)有機(jī)染料的降解效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下TiO2對(duì)多種染料均有良好的降解效果。Rudakova 等[4]研究二氧化鋯薄膜的自清潔性能，研究表明在紫外光照射下的二氧化鋯薄膜具有良好的抗菌性能，抑菌率高達(dá)90%，但成本相對(duì)較高。雖然CdS 與ZnO 也具有良好的光催化效果，但由于其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定且在光催化的過(guò)程可能發(fā)生光溶解等問(wèn)題，現(xiàn)在僅有少數(shù)工業(yè)光催化領(lǐng)域還在使用這些光催化材料。目前TiO2是公認(rèn)的最優(yōu)的光催化材料，由于其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括環(huán)境治理領(lǐng)域（空氣污染或水污染治理）、能源領(lǐng)域（氫能或太陽(yáng)能電池）和生物領(lǐng)域（抗菌或藥物遞送載體）等[5]。但在實(shí)際應(yīng)用中，TiO2也存在一定的局限性：其禁帶寬度較大，只有紫外光才能使其激發(fā)，對(duì)可見(jiàn)光幾乎不吸收，普通的TiO2純相材料很難得到廣泛應(yīng)用。目前，對(duì)TiO2進(jìn)行改性使其實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的吸收，是研究熱點(diǎn)之一。

3 影響光催化反應(yīng)的因素

光催化效率一直是限制光催化材料實(shí)際應(yīng)用的重要問(wèn)題之一，為了提高光催化效率，首先需要研究影響光催化反應(yīng)的機(jī)理和諸多因素。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了一些影響光催化效率的因素，主要包括：照射光源、光催化材料負(fù)載量、污染物濃度、催化劑與污染物接觸時(shí)間、環(huán)境溫度等，下面分別對(duì)不同的影響因素進(jìn)行具體分析：

（1）照射光源。光催化反應(yīng)是光催化材料通過(guò)吸收照射光源中的光子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)價(jià)帶電子的激發(fā)而進(jìn)行的，故照射光源是一個(gè)至關(guān)重要的影響因素。常見(jiàn)的照射光源主要包括2 類(lèi)：可見(jiàn)光源與紫外光源。目前常用的光催化材料為T(mén)iO2及其復(fù)合材料，雖然目前許多TiO2復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的吸收，但相較于可見(jiàn)光，紫外光仍然對(duì)光催化材料的有更強(qiáng)的激發(fā)作用。故實(shí)際應(yīng)用中照射光源多采用紫外光源。紫外光有較寬的光譜，不同波段的紫外光對(duì)光催化材料的促進(jìn)作用有差異，故探尋光催化的最佳波段具有十分重要的意義[6-11]。Jeong等[6]采用3 種不同波長(zhǎng)的紫外光源照射TiO2對(duì)甲醛進(jìn)行凈化，以探究光源波長(zhǎng)對(duì)催化效率的影響。Eskandarian 等[7]研究了紫外光波長(zhǎng)對(duì)TiO2降解水中污染物效果的影響，分別采用UVA（355～375 nm）、UVAH（360～370 nm）、UVB（295～305 nm）、UVC（250～280 nm）照射TiO2降解水中的污染物，結(jié)果表明波長(zhǎng)較短的紫外光對(duì)TiO2具有更好的激發(fā)效果。光照強(qiáng)度也會(huì)對(duì)光催化效率產(chǎn)生一定影響，沈文浩等[10]通過(guò)自制的光催化系統(tǒng)研究光照強(qiáng)度對(duì)光催化效率的影響，研究表明，光催化效率隨著光照強(qiáng)度的增加而提高，最終趨于穩(wěn)定。

（2）光催化材料負(fù)載量。光催化材料的負(fù)載量也是影響光催化效率的一大因素。在相同照射光源下，負(fù)載量過(guò)高時(shí)會(huì)降低光催化材料對(duì)光線的吸收效率，使得光催化材料不能得到充分利用，造成了資源的浪費(fèi)。而負(fù)載量過(guò)低時(shí)污染物又無(wú)法得到充分降解，降低了降解效率。Ashouri 等[8]研究ZnO 基納米光催化劑對(duì)苯胺降解的影響，實(shí)驗(yàn)中分別采用0.5、1 和1.5 g/L 3 種濃度的催化劑對(duì)苯胺進(jìn)行降解，研究表明納米光催化劑的用量從0.5 g/L 增加到1 g/L 時(shí)，苯胺的降解率提高，但納米光催化劑的用量進(jìn)一步增加到1.5 g/L 時(shí)，苯胺的降解率卻下降?？梢?jiàn)選擇合適的光催化劑量也十分重要。

（3）污染物初始濃度。污染物的初始濃度也是影響光催化材料光催化效率的一個(gè)因素，污染初始濃度較高時(shí)，光催化材料與污染物接觸更為充分，故反應(yīng)速率必然加快，但污染物濃度增加到一定程度時(shí)，可能會(huì)影響污染物的降解率。Mazierski 等[9]研究了初始污染物濃度對(duì)TiO2納米管陣列氣相光催化法活性的影響，在照射強(qiáng)度為38 mW/cm2的UV-LED 光源照射下，對(duì)濃度為20～400 mg/L 的甲苯進(jìn)行降解。研究表明，TiO2納米管陣列在紫外光照射下能實(shí)現(xiàn)對(duì)濃度為20～200 mg/L 的甲苯的完全降解，只是隨著濃度的增加，降解時(shí)間略有增加。而當(dāng)甲苯濃度達(dá)到400 mg/L 時(shí)，TiO2納米管陣列無(wú)法對(duì)甲苯進(jìn)行完全降解，最終降解率為85%。沈文浩等[10]采用TiO2對(duì)初始濃度不同的甲醛樣本進(jìn)行降解，反應(yīng)時(shí)間均為2 h，以探究污染物初始濃度對(duì)光催化效率的影響。實(shí)驗(yàn)表明，光催化效率隨著污染物初始濃度的提高而提高，但最終的甲醛降解率卻明顯下降，由94%下降至44%。可見(jiàn)隨著污染物濃度的升高，確實(shí)可以有效提高光催化效率，但過(guò)高的污染物濃度也會(huì)導(dǎo)致光催化材料對(duì)污染物的最終降解率下降，這是得不償失的。Peral 等[11]研究了在污染物初始濃度較高條件下，催化劑容易出現(xiàn)失去活性的現(xiàn)象，認(rèn)為這可能是影響光催化材料對(duì)污染物最終降解率的一個(gè)重要因素。故合理地控制污染物初始濃度具有十分重要的意義。

（4）光催化材料與污染物的接觸時(shí)間。光催化材料與污染物的接觸時(shí)間決定了光催化材料與污染物的反應(yīng)充分程度，故足夠長(zhǎng)的接觸時(shí)間是十分有必要的。在設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器時(shí)需尋找一個(gè)最佳的反應(yīng)時(shí)間，使得在保證反應(yīng)充分程度的同時(shí)，盡可能地縮短反應(yīng)時(shí)間以提高整體反應(yīng)速率。

（5）環(huán)境溫度。環(huán)境溫度對(duì)光催化反應(yīng)也有一定影響。王光英等[12]在相對(duì)濕度(60±2)%，20 W的日光燈照射48 h 等環(huán)境下測(cè)試不同溫度對(duì)光觸媒（TiO2復(fù)合材料）壁紙降解甲醛效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度上升，光催化反應(yīng)速率加快，當(dāng)溫度到達(dá)26 ℃時(shí)，提升作用不再明顯。即光觸媒介質(zhì)在環(huán)境溫度到達(dá)26 ℃時(shí)達(dá)到其光催化的平衡點(diǎn)。Eker 等[13]研究溫度對(duì)光降解土壤中多環(huán)芳烴去除的影響，研究表明，隨著溫度的提升，不同紫外波段降解方式（不同波段的紫外-TiO2）下多環(huán)芳烴的降解率均得到了提高?？梢?jiàn)合適的溫度可有效提高光催化速率。

4 光催化效率的提升方法

對(duì)于如何提升光催化效率的方法，目前研究者主要提出了以下2 種途徑：①對(duì)光催化材料進(jìn)行改性，通過(guò)與其他元素?fù)诫s以降低光催化材料的禁帶寬度，降低電子-空穴復(fù)合率，從而實(shí)現(xiàn)光催化材料對(duì)可見(jiàn)光的吸收，提高光的利用率，最終達(dá)到提高光催化效率的目的；②針對(duì)影響光催化材料反應(yīng)效率的諸多因素設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器，使得光催化材料能夠在最佳的反應(yīng)環(huán)境內(nèi)進(jìn)行光催化，從而提高光催化效率。

4.1 光催化材料的改性

為了實(shí)現(xiàn)光催化材料對(duì)可見(jiàn)光吸收、提高光催化效率，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者主要從3 個(gè)方面對(duì)光催化材料進(jìn)行摻雜改性，分別為非金屬元素對(duì)光催化材料進(jìn)行改性、金屬元素對(duì)光催化材料進(jìn)行改性、復(fù)合材料對(duì)光催化材料進(jìn)行改性。

4.1.1 非金屬元素?fù)诫s改性

摻雜非金屬元素可有效提高光催化效率。常用于進(jìn)行摻雜的非金屬材料主要包括非金屬多孔礦物材料、碳材料、聚合材料等。將光催化材料與非金屬多孔礦物進(jìn)行摻雜形成復(fù)合材料具有表面積大、吸附力強(qiáng)、分布均勻的特點(diǎn)，正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)使得復(fù)合材料能更好地與反應(yīng)物結(jié)合，從而提升了光催化反應(yīng)速率。Liang 等[14]對(duì)TiO2與蒙脫石摻雜形成的復(fù)合材料進(jìn)行了光吸收能力的探究，研究表明，相較于傳統(tǒng)TiO2，復(fù)合材料的可見(jiàn)光吸收能力提高了17%。Zhu 等[15]采用溶膠-凝膠法制備了Mn-TiO2光催化材料，并測(cè)試了該材料對(duì)翡翠燃料的降解率。研究表明，由于硅石和Mn 拓寬了TiO2的光譜響應(yīng)范圍，故該復(fù)合材料對(duì)翡翠染料的降解率高達(dá)98%。碳材料也常用于與光催化材料進(jìn)行摻雜。常用的碳材料有：石墨烯、碳納米管、活性炭、氮化碳等。由于碳材料中的C 可作為電子阱，該電子阱可有效地促進(jìn)電子與空穴分離，從而達(dá)到提高光催化效率的目的。Chu 等[16]采用微波水熱法在碳纖維上負(fù)載納米TiO2制備光催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該催化劑具有良好的光催化活性，采用其催化降解羅丹明B，經(jīng)過(guò)1 h 的紫外線照射后，羅丹明B 的降解率達(dá)到95%。當(dāng)該催化劑使用10 個(gè)循環(huán)后，染料的降解率仍達(dá)到88%。許多聚合材料也被用于與光催化材料進(jìn)行摻雜，常見(jiàn)的有聚乙烯、聚苯胺、聚偏氯化乙烯等。Yna 等[17]將納米TiO2固定在聚乙烯醇-乙烯-乙烯納米纖維支架中，探究復(fù)合材料對(duì)亞甲基藍(lán)的降解能力，研究表明，在150 min 后，復(fù)合材料對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率為97%。雖然非金屬元素的摻雜提高了光催化材料的光催化效率，但是目前的研究成果仍有許多不足，需要更深入研究。比如需要考慮采用何種高質(zhì)量的載體以及固定方法完成光催化劑的加載，考慮摻雜元素是否會(huì)引入二次污染、考慮摻雜元素是否會(huì)影響光催化材料的重復(fù)利用率等諸多因素。

4.1.2 金屬元素?fù)诫s改性

通過(guò)金屬元素與光催化材料進(jìn)行摻雜也是目前研究的一大熱點(diǎn)。常用于與光催化材料摻雜的金屬元素可分為貴金屬元素與金屬離子兩大類(lèi)。其中貴金屬由于其半徑較大，很容易沉積在光催化材料表面，當(dāng)沉積的貴金屬到達(dá)一定數(shù)量時(shí)便可形成電子阱，可促使電子從費(fèi)米能級(jí)較高的光催化材料表面轉(zhuǎn)移到費(fèi)米能級(jí)較低的貴金屬表面，促進(jìn)了電子-空穴對(duì)的形成，從而提高了光催化能力。另一方面，貴金屬還可以擴(kuò)大光催化材料對(duì)自然光的吸收范圍，即使得光催化材料能夠?qū)梢?jiàn)光進(jìn)行吸收，大大提高了光催化材料對(duì)自然光的利用率。Ji等[18]制備了銀-碳-二氧化鈦的復(fù)合材料，研究表明其對(duì)羅丹明B 降解率達(dá)到90%。Jaafar 等[19]通過(guò)電化學(xué)方法將銀納米離子顆粒沉積在TiO2表面構(gòu)成Ag-TiO2催化劑，并研究該催化劑對(duì)氯酚的降解率，研究表明，Ag-TiO2對(duì)氯酚的降解率高達(dá)94%。但貴金屬在TiO2表面并不是沉積的越多越好，當(dāng)沉積的數(shù)量過(guò)多時(shí)，貴金屬可能會(huì)促使電子-空穴的重組，大大降低了光催化的效率，故貴金屬沉積的數(shù)量需要嚴(yán)格把控。而摻雜金屬離子則可以改變光催化材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)，使得電子更容易被激發(fā)，從而使光催化材料具有更廣的可見(jiàn)光吸收范圍。Crisan 等[20]采用溶膠－凝膠法制備了摻鐵的TiO2，將吸收光譜擴(kuò)展到了546 nm，而且與傳統(tǒng)的純TiO2相比，其對(duì)硝基苯的降解率提高了18%。

4.1.3 多元素?fù)诫s改性

單元素?fù)诫s雖然可以提高光催化材料某一方面的性能，但存在一定的局限性。在摻雜過(guò)程中摻雜的元素有可能會(huì)成為復(fù)合中心，這就降低了光催化材料的電荷分離，增加了光催化材料的電子-空穴的復(fù)合率。故可以考慮通過(guò)多元素?fù)诫s來(lái)彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。多元素?fù)诫s可以通過(guò)多種離子之間的互補(bǔ)，使光響應(yīng)范圍更廣、光催化活性更高。Shahan等[21]使用Ni、Cr 對(duì)TiO2進(jìn)行摻雜，在自然光照射下，該催化劑在90 min 內(nèi)對(duì)亞甲藍(lán)溶液的降解率為98%，相較于Ni/TiO2（58%）與Cr/TiO2（24%）有明顯提升。

4.2 光催化反應(yīng)器

有諸多因素影響著光催化劑的催化效率，僅通過(guò)對(duì)光催化材料的改性提高光催化效率，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體使用場(chǎng)景設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器，通過(guò)光催化反應(yīng)器為光催化材料提供最佳的反應(yīng)環(huán)境，進(jìn)一步提高催化效率。

4.2.1 常見(jiàn)的光催化反應(yīng)器類(lèi)型

光催化反應(yīng)器種類(lèi)繁多，有多種分類(lèi)方式，主要包括根據(jù)光源類(lèi)型分類(lèi)、根據(jù)催化劑存在形式分類(lèi)以及根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分類(lèi)[22-26]。

（1）根據(jù)光源類(lèi)型分類(lèi)。光源是光催化反應(yīng)器的一個(gè)重要組成部分，常見(jiàn)的光源可分為紫外光源與可見(jiàn)光源，在實(shí)際使用中可根據(jù)光催化劑的類(lèi)型、實(shí)際使用場(chǎng)景采用不同的光源。常見(jiàn)的光源類(lèi)型如表1 所示。

表1 常見(jiàn)的光源類(lèi)型Tab.1 The type of common light source

（2）根據(jù)催化劑存在形式分類(lèi)。在實(shí)際使用中，光催化劑能以多種形式存在于光催化反應(yīng)器中，主要是懸浮式與負(fù)載式。其存在形式如表2 所示。

表2 催化劑存在形式分類(lèi)Tab.2 Classification of existing forms of catalysts

（3）根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分類(lèi)。光催化反應(yīng)器還可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分類(lèi)，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型有管式、板狀與環(huán)狀[24-26]。其分類(lèi)如表3 所示。

表3 按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分類(lèi)Tab.3 Classification by the reactor structure

可見(jiàn)光催化反應(yīng)器的種類(lèi)繁多，但無(wú)論何種結(jié)構(gòu)，光催化反應(yīng)器都是為了提高光催效率而存在的。光催化反應(yīng)器的總體設(shè)計(jì)思路可以歸納為3 種：①提高光催化劑與光和污染物的接觸面積；②根據(jù)催化劑種類(lèi)選擇合適的光源；③提高催化劑的重復(fù)利用率。

4.2.2 光催化反應(yīng)器的可調(diào)節(jié)因素

光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)目的就是為光催化劑提供一個(gè)最佳的反應(yīng)環(huán)境，根據(jù)影響光催化劑催化效率的因素，在設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器時(shí)可以主要針對(duì)其光源情況、光催化反應(yīng)器類(lèi)型、催化劑的負(fù)載方式和光源位置進(jìn)行考慮。

（1）光源。可以從波長(zhǎng)、光照強(qiáng)度、發(fā)光設(shè)備等多個(gè)方面考慮選擇何種光源。常用作光催化反應(yīng)器的光源為紫外光與自然光。在實(shí)際應(yīng)用中，由于常用光催化劑對(duì)紫外光普遍具有較高的吸收，故光源常采用紫外光；紫外光具有相當(dāng)寬的光譜，根據(jù)光催化劑種類(lèi)選擇最佳波段可進(jìn)一步提高光催化效率。合適的光照強(qiáng)度也可進(jìn)一步提高光催化效率并降低能耗，而且不同發(fā)光設(shè)備對(duì)光催化的效果也不同。Martin-Somer 等[27]研究了LED 與汞燈的光分布對(duì)光催化反應(yīng)器性能的影響，雖然相比于傳統(tǒng)的汞燈，LED 具有低能耗，耐用等諸多優(yōu)點(diǎn)，光分布卻不如汞燈均勻，在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)設(shè)計(jì)LED 燈珠分布改善這個(gè)問(wèn)題。

（2）光催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。合理設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)可有效提高光源利用率以及污染物與光催化劑的接觸面積，從而提高光催化效率。Alexandru[28]研究光催化反應(yīng)器的幾何形狀對(duì)光催化去除廢水有機(jī)物效果的影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是圓柱形、矩形還是其他形狀的光催化反應(yīng)器均有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合使用環(huán)境、污染物種類(lèi)、光催化劑種類(lèi)等多個(gè)因素對(duì)于光催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。

（3）光催化劑存在方式。光催化劑的存在方式從很大程度上決定了光催化劑的利用率。常見(jiàn)的光催化劑在光催化反應(yīng)器的存在方式包括懸浮式、固載式以及與膜組件耦合的方式。其中懸浮式雖然極大地促進(jìn)了光催化劑與污染物以及光源的接觸面積，但反應(yīng)后光催化劑難以與污染物分離，使得光催化劑無(wú)法重復(fù)利用。Fabiyi 等[29]在內(nèi)部增加了擋板，調(diào)節(jié)催化劑停留時(shí)間并避免催化劑的沉積。而固載式則解決了光催化劑無(wú)法重復(fù)利用的問(wèn)題，但相應(yīng)的由于與污染物接觸不夠充分，反應(yīng)速率也大打折扣。Abdel-Maksoud 等[30]設(shè)計(jì)了一種負(fù)載TiO2的托盤(pán)型光催化反應(yīng)器，并采用不同TiO2涂覆方法。而與膜組件耦合的方式則是上述兩者的結(jié)合，但在實(shí)際使用中存在膜老化以及成本較高的問(wèn)題[31]。Hong等[32]設(shè)計(jì)了一種TiO2薄膜環(huán)形光催化反應(yīng)器，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)多環(huán)芳烴的高效降解。

（4）污染物流速控制。合理地控制污染物流速可使光催化材料與污染物充分接觸，在提高光催化材料對(duì)污染物的降解能力的同時(shí)，又能提高光催化效率，實(shí)現(xiàn)光催化材料對(duì)污染物的高效降解。Dong 等[33]對(duì)流速對(duì)流化床光催化反應(yīng)器性能的影響進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)隨著液體流速的增加，苯酚降解速率先增加，達(dá)到最大值后隨著流速的增加而逐漸下降。流速對(duì)光催化效率的影響存在一個(gè)峰值，故針對(duì)不同的污染物探究其最佳流速具有十分重要的意義。

（5）溫度與濕度控制。溫度與濕度的調(diào)控也應(yīng)在光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮。Vatanpour等[34]進(jìn)行了響應(yīng)表面方法對(duì)連續(xù)浸沒(méi)式光催化膜反應(yīng)器有效參數(shù)的研究，通過(guò)對(duì)反應(yīng)器溫度、pH、充氣速率等一系列條件的調(diào)節(jié)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)40 ℃時(shí)，光催化效率最高。Geng 等[26]則研究了環(huán)狀流化床光催化反應(yīng)器對(duì)氣態(tài)苯的吸附及光催化降解中相對(duì)濕度的影響，研究結(jié)果顯示，在氣態(tài)苯初始濃度不同的一些測(cè)試條件下，相對(duì)濕度均對(duì)光催化降解苯的效率存在一定影響。

綜上所述，高效的光催化反應(yīng)器，需要根據(jù)降解環(huán)境的實(shí)際情況，綜合上述因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

提升光催化材料的光催化效率一直是目前研究的一大難題，TiO2作為最常用也是最優(yōu)的光催化材料之一，探究提高其光催化效率具有十分重要的意義?；赥iO2材料方面我們可以通過(guò)摻雜等方式彌補(bǔ)材料自身的不足，雖然目前已有大量的復(fù)合光催化材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的吸收，但吸收效率仍然較低。同時(shí)由于紫外光對(duì)人體具有一定傷害，如采用紫外光激發(fā)光催化材料，在實(shí)際應(yīng)用中又有一定的局限性。而光催化反應(yīng)器則是另一種提高光催化材料反應(yīng)速率的思路，通過(guò)為光催化材料提供最佳反應(yīng)條件，提高光催化效率，同時(shí)由于光催化反應(yīng)器可以使得污染物與光催化材料在其內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，故克服了紫外線對(duì)人體傷害的問(wèn)題。但目前的光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)均是針對(duì)某種污染物或某種光催化材料，應(yīng)用場(chǎng)景十分受限，故設(shè)計(jì)一種參數(shù)可調(diào)的光催化反應(yīng)器（波長(zhǎng)、光照強(qiáng)度、流速、溫度等可調(diào)）或是解決這一問(wèn)題的一種方式。

在未來(lái)，將不斷研發(fā)的新型的光催化材料與參數(shù)可調(diào)的光催化反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)合，參數(shù)可調(diào)的光催化反應(yīng)器根據(jù)不同種類(lèi)的光催化材料與污染物提供相應(yīng)的反應(yīng)環(huán)境，在大幅提高光催化效率同時(shí)也擴(kuò)大了光催化反應(yīng)器的應(yīng)用范圍。參數(shù)可調(diào)的光催化反應(yīng)器還可與目前的先進(jìn)智能設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng)器的智能調(diào)控。