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1半导体光谱技术和环境保护刘凯敏2011030810411级无机非金属摘要:半导体材料的光催化效应可将光能转化为化学能。在环保化工和太阳能利用方面有巨大应用潜力,TDLAS技术作为高灵敏度、高分辫率、检刚范围广以及响应时间快等特点的一种气体检刚技术,已经成功应用到了环保、化工、航空等行业监刚中。TDLAS技术在大气环境滥刚中的应用空间和发展方向,具有一定的实际意义。关键词:半导体、光催化、环境保护、TDLAS技术、大气环境监测ThespectroscopyofofSemiconduetiveMaterialsPhotocatalysisanditsEnviromentalApplicationsLiukaimin2011030810411级无机非金属Abstract:Thephotocatalysisofthesemiconductivematerialsconvertthephotonenergytochemicalenergy.Itappearstobeapromisingtechnologyforalotofapplicationsinenviromentalsystems,ThetechnologyofTDLAShasitscharacteristicsofhighsensitivity、highresolution、reactionquickly,whichhasbeenusedinthesefieldssuchasenvironment、chemicial、aviation.ItwillbesufficientthatTDALScanbeappliedinEnviromentalApplicationsanditsfuturedevelopmentdieection.Keywords:semiconductor;photocatalysis、enviornmentalapplication、TDLAS、enviornmentalmonitoring一、半导体材料的化学功能半导体材料在信息工程方面的作用是人所共知的。至于半导体材料的化学功能只是在70代以后才渐受重视。但从最近二十多年的发展趋势来看,它在今后的环境保护,化工生产和节能等方面的应用潜力是很大的。半导体材料中电子分布的特征是在它的导带和价带之间有带隙存在。许多化合物半导体如:Tinz.,Zn0,CdS等的价带是满的,导带是空的。受到光照时,只要光子能量超过半导体的带隙能(En)时,就能使电子从价带跃迁到导带,从而产生导带电子ers和价带空穴。这类导带电子有很强的还原力而价带空穴则有很强的氧化力。只要能够抑制或延缓电子书空穴的复合过程,就有可能利用这类光生载流子来氧化或还原半导体表面上的吸附物。这种由光生载流子引发的氧化/还原反应称为光催化反应。它将光能转化为化学能,利用光能来实见许多化学反应,是一种很有用的新技术。二、可调谐半导体激光吸收光谱技术2近年来,各地频繁发生大气污染事件,大气环境愈来愈引起国家和公众的重视和关注,能够有效实时的监测大气环境中的痕量气体污染物刻不容缓。目前,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的检测仪器己逐渐被应用到了化工、石化、航空及环保行业中,其相比传统的分析方法,具有灵敏度高、响应时间短、稳定性高等特点。2.1TDLAS调制光谱支术在TDLAS技术中,当被测气体浓度树氏或对光的吸收很小时,会造成光强变化甚微,进而易受到背景噪声十扰只影响检测灵敏度为f减少测量误差、提高灵敏度,目前在TDLAS调制技术中利用可调谐半导体的特性己形成f波长调制和频率调制光谱两种相互协调的调制技术,其可以最大限度的减轻背景噪声的十扰。其方法为:根据噪声特别是1/f噪声会随养频率的升高逐渐圈氏的特点,通过在可调谐半导体的电流中另外引入一定频率的高频电流,从而实现对激光频率即波钧的高频调制。其中,波长调制技术的调制频率低,为。0一100kHz,不过调制幅度大,可接近被测谱线线宽。而频率调制技术调制频率则较高,可达几百kHz,但调制幅度小。此外,_次谐波检测技术也被广泛应用到了TDLAS调制技术中得到与被测气体浓度成止比的谐波信号,耐各检测频率移到氏噪声的高频处,最后在信号检测处采用锁相放大技术实现言号_次谐波检测,可有效抑制外部环境十扰和低频噪声,从而可以实现较高的灵敏度。2.2TDLAS技木研究概述我国的TDLAS技术起步比较晚,国外早在上世纪80年代就对可调谐半导体激光吸收光谱技术有了相关研究,TDLAS当时作为新兴的检测技术己被在气体浓度检测研究中提到。直至90年代,大量研究方法喷井而出,报道了基于TDLAS技术的多种气体浓度测量方法。根据文献记载,德国、美国、瑞典等国家在这方而研究尤为突出,在TDLAS技术发展过程中取得了重大突破。其中,德国科研人员利用了垂直外腔而发射激光器对。2浓度检测进行了实验研究;美国工程师则于1996年研究了采用_极管激光器对NOz含量的测定;与其他国家相比,我国目前的环境监测技术水平得到了长足进步,传统的监测技术己经大量普及延续,但结合新兴的前沿高端技术提高监测水平的创新能力仍旧欠缺。在TDLAS技术发展过程中,我国成功搭载了科技高速发展的列车,通过20多年的努力,现己逐渐接近世界水平。2.3TDLAS技术在大气监测中的发展方向国内外目前对TDLAS技术在无论是理论探索还是实践应用上都己经取得了巨大成果,但相比日益严重的环保问题,仍不能满足逐渐增长的环保需求,其潜能尚未充分发挥,仍然有一些问题需要进一步处理(1)激光器。激光器是制约TDLAS技术发展的重要因素之一。其调谐范围极大限制了TDLAS可以检测气体的类别。目前的TDLAS系统大多采用单模激光器,尚且只能针对一种气体进行检测,无法实现多种气体同时监测。而多路激光器系统结构相对复杂、检测时间相对较长。新型的具有宽调谐范围的激光光源系统将成为重点开发对象。(2)反射池。对于大气中的痕量气体检测来说,需要尽量圈氏仪器的检测下限,目前大部分TDLAS监测仪通过利用多次反射池威者长光程反射池、开放光程等方法来增加光程,从而提升仪器灵敏度。因此,反自寸池的材料特性、内部结构直接影响了仪器的检测性能。3印实现更多种类气体在线监测。目前国内大气在线监测仪种类单一,监测项目有限,仍无法满足环境保护需要,开发新型的多种类的大气监测仪时不可待N便携移动式TDLAS检测仪。相比大型的TDLAS在线监测仪器来说,小巧便携的检测仪更为快速、方便。三、光催化技术的实施要点光催化反应是发生在固液或固汽界面上的多相反应。光催化材料不但要有大的面积,还要求能普遍接收光照,所以以粉末和薄膜状态较为适用。固体薄膜的透射光谱表明,它们只能吸收波长在λ以下的光波。因为光子的吸收与光强成正比,所以在弱光下,光催化反应速率随光强而增加,量子效率q,保持恒定。当光强增加很多时,它也能加速光生载流子的复合过程,致使量子效率q,下降,光催化反应速度增加得并不多。在强光下,反应速度达到一定限度后,即使再增加光强也不能使反应更快。3.1光催化技术在环保领域的应用概况光催化技术受到环保界重视是因为它有两大优势:一是它只消耗光能,并可利用太阳能;二是它对各类污染物有广泛的适应性。大量实验表明,水和空气中各种有色,有毒,带臭的有机污染物,如染料、农药、化学助剂等。化工生产中常大量排放的各种链烃、芳烃和它们的衍生物、卤化物,各种多环芳烃,杂环化合物和挥发性有机溶剂等都能为光催化反应所降解。有许多有机污染物可以完全降解而成为COz,HzO,C1-,P04一等无机物,从而使TOC大大降低。也有些污染物则被降解成为较难降解的中间体。这时,TOC虽下降不多。但随着碳链的断裂,污染物的毒性减少,可生化性增加许多无机污染物如CN-,NOz,NH3,HZS等也同样能通过光催化反应而被降解。在各种有害的重金属离子中,铂、金、银、汞等离子可为光催化反应还原成金属状态。毒性很大,能致癌的Cry'则可还原成毒性较低的Cr3+光催化反应有很强的灭菌作用。它对大肠杆菌等的灭菌速度要比其他无机灭菌剂如银等快得多。而且还能够降解细菌所遗留的内毒素,这是一般灭菌方法所难以实现的。此外,光催化效应还能抑制藻类的生长并消灭藻类所产生的有毒物质如硫化氢和兰绿藻毒素等。废水处理是环保领域的一大难题,因为它的数量多、品种杂,毒性大。例如我国1997年排放的工业废水达227亿吨,生活污水达189亿吨3.2光催化环保技术中有待解决的问题光催化环保技术具有巨大的应用潜力,但至今大多数工作尚处于研究一开发阶段。这是因为有些问题尚待解决,以便进一步提高光催化反应速率和量子效率。我国在1990年初已开展光催化环保研究,但进展不快,与国外的差距很大。我国的环境污染十分严重,为了使光催化技术能早日应用到环保的各个方面,函应重视这方面的工作并积极解决下列一些问题:(1)积极开发高性能的Tio2光催化剂光催化环保技术的应用范围很广,所以需要各种不同状态的光催化剂来满足各种不同的需要。在饮用水深度处理,废水处理和室内空气净化等方面薄膜状态的Tio2光催化剂要比粉末更为适用。(2)积极开发新型光催化材料作为光催化材料,Tio2的一个严重不足是它的带隙较宽,只能为紫外线激励,不能充分利用太阳能。所以开发新的光催化材料是多年来深受重视4的事。经过多年的探索,一般认为锐钦矿结构、含铭的的一个严重不足是它的带隙较宽,只能为紫外线激励,不能充分利用太阳能。所以开发新的光催化材料是多年来深受重视的事。经过多年的探索一般认为锐钦矿结构、含铭的。(3)光活性TiOz的改性为了提高TiOz的光活性或调整其吸收阂值波长,曾从多方面对TiOz进行改性研究。迄今为止,成效较显著并已付诸实用的是在TiOz表面涂少量贵金属来抑制光生载流子复合的方法。(4)光化学与电化学相结合用半导体材料实现光催化反应的前提是必须抑制光生载流子之间的复合。在这方面一个简便有效的方法就是利用直流电场来使光生载流子整流。例如在半导体上加一个正偏压来吸收光生电子,就可使更多的光生空穴到达光催化剂表面来参与光催化氧化反应。四、结束语环境保护是人类在21世纪面临的一种严峻挑战。同时它也是一个巨大的产业。随着科技进步和人类生活质量的提高,传统的微生物和化学治理技术已不能完全满足环保事业的需要。积极地将更多的光技术和电技术引入环保领域是十分重要的。光催化技术今后必将在环保化工和节能等领域内发挥巨大作用,从而为半导体材料开拓一个全新的用武之地。TDLAS技术作为高灵敏度、高分辨率、检测范围广以及响应时间快等特点的一种气体检测技术,己经成功应用到了环保、化工、航空等行业监测中。半导体材料光催化效应以及TDLAS技术的应用必将会为环保这方面做出巨大贡献。五、参考文献[1]可调谐半导体激光吸收光谱技术在大气环境监测中的研究进展牛二超、沈健康、张欢(1)江苏省环境监测中心,江苏南京210036;(2)江苏德林环保技术有限公司,江苏南京21110[2]半导体材料的化学功能—光催化技术与环境保护钱振型(同济人学物理系.上海200092)[3]国内大功率半导体激光器研究及应用现状马晓宇,王俊,刘素平(中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心,北京100083)[4]半导体激光器的最新进展及其应用(长春光学精密机械学院高功率半导体激光国家重点实验室)[5]半导体生产与环境.中国华晶电子集团有限公司.春晓[6]半导体材料现状与发展中国电子材料行业协会管不恺张臣[7]21世纪的半导体材料与工艺东立编译5[810kW连续输出半导体激光熔覆光源朱洪波,张金胜,马军,秦莉,宁永强,王立军1、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.中国科学院大学,北京100049)[9高功率半导体激光器技术发展与研究刘国军,薄报学,曲轶,辛德胜,姜会林(长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春130022)
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