光催化剂开题报告

1、 TiOTiO2 2的结构的结构 TiOTiO2 2光催化反应机理光催化反应机理 TiOTiO2 2光催化反应的影响因素光催化反应的影响因素 提高提高TiOTiO2 2光催化效率的途径光催化效率的途径 纳米纳米TiOTiO2 2粉体制备方法粉体制备方法 TiOTiO2 2光催化剂的应用光催化剂的应用 磁性载体的制备磁性载体的制备何何谓谓 半导体纳米材料在光的照射下，通过把，促进化合物的合成或使化合物（有机物、无机物）降解的过程称为光催化。化为化学能1.TiO2的结构的结构 通常通常TiOTiO2 2有三种晶型：锐钛矿、金红石和板钛矿。通常认为锐有三种晶型：锐钛矿、金红石和板钛矿。通常认为锐钛矿

2、是活性最高的一种晶型，其次是金红石型，而板钛矿和无钛矿是活性最高的一种晶型，其次是金红石型，而板钛矿和无定型定型TiOTiO2 2没有明显的光催化活性没有明显的光催化活性 研究表明，由锐钛矿研究表明，由锐钛矿 和金红石以适当比和金红石以适当比 例组成的混晶通常例组成的混晶通常 比由单一晶体的活比由单一晶体的活 性高。性高。TiOTiO2 2的禁带宽度较大，的禁带宽度较大，光催化活性最好的锐钛矿型光催化活性最好的锐钛矿型的的EgEg为为3.23.2至至3.5eV,3.5eV,仅在波长仅在波长小于小于387nm387nm的紫外光照射下有的紫外光照射下有光催化活性。光催化活性。2.TiO2光催化反应

3、机理光催化反应机理具体来说具体来说: 在光照下，如果光子的能量大于半导体禁带在光照下，如果光子的能量大于半导体禁带宽度，其价带上的电子（宽度，其价带上的电子（e-e-）就会被激发到）就会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴（导带上，同时在价带上产生空穴（h+h+）。激）。激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，并产生热能或其他形式散发掉。当催化剂存并产生热能或其他形式散发掉。当催化剂存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时，在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子和空穴的复合得到抑制，就会在催化剂电子和空穴的复合得到抑制，就会在催化剂表面发生氧化表面发

4、生氧化还原反应。价带空穴是良好还原反应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，一般与表面吸附的导体光催化反应中，一般与表面吸附的H H2 2O O，O O2 2反应生成氧化性很活泼的羟基自由基反应生成氧化性很活泼的羟基自由基（OHOH）和超氧离子自由基（）和超氧离子自由基（OO2 2- -）。能够）。能够把各种有机物氧化直接氧化成把各种有机物氧化直接氧化成COCO2 2、H H2 2O O等小等小分子，而且因为他们的氧化能力强，使一般分子，而且因为他们的氧化能力强，使一般的氧化反应一般不停留在中间步骤，不产生的氧化反应一般不

5、停留在中间步骤，不产生中间产物。中间产物。光催化机理图光催化机理图3. TiO2光催化反应的影响因素光催化反应的影响因素（1）TiO2晶型的影响晶型的影响 TiO2有三种晶型：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。其中具有光催化活性的主要是锐钛矿型和金红石型，一般认为锐钛矿型活性较高。（2） TiO2晶粒尺寸的影响晶粒尺寸的影响 对于纳米半导体粒子而言，粒径越小，电子从体内扩散到表面的时间越短，电子与空穴复合的几率越小，电荷分离效果越好，从而导致催化活性的提高。（3） TiO2表面特性的影响表面特性的影响 TiO2表面积大则吸附量大，活性就高。另外，表面的粗糙程度、表面的结晶度、表面的羟基等也影响着表

6、面的吸附和电子空穴的复合，进而影响催化剂的活性。（4） pH值的影响值的影响 反应体系的反应体系的pH值对值对TiO2的表面态、界面电位和表面电荷以聚的表面态、界面电位和表面电荷以聚集性具有明显的影响。集性具有明显的影响。 纳米纳米TiO2光催化剂被光辐射激发产生的电子空穴对虽然具光催化剂被光辐射激发产生的电子空穴对虽然具有很高的氧化能力，但其在实际应用中也存在一些缺陷：有很高的氧化能力，但其在实际应用中也存在一些缺陷： 光生载流子光生载流子(h+，e-)很易重新复合，例如在很易重新复合，例如在TiO2表面上光生电表面上光生电子和空穴的复合是在小于子和空穴的复合是在小于10-9s的时间内完成，

7、影响了光催化的时间内完成，影响了光催化的效率。的效率。 因此制备高活性光催化剂的突出问题是提高光催化剂中光生因此制备高活性光催化剂的突出问题是提高光催化剂中光生电子电子-空穴的分离效率，抑制电子空穴的重新结合。空穴的分离效率，抑制电子空穴的重新结合。 （1）非金属离子的掺杂）非金属离子的掺杂 目前研究较多的非金属掺杂离子主要有目前研究较多的非金属掺杂离子主要有 Cl、N、F、和、和S、P等。研究等。研究表明，这些非金属离子取代表明，这些非金属离子取代O离子进入离子进入TiO2晶格提高光催化剂的价带电位，晶格提高光催化剂的价带电位，并降低其导带电位，使其禁带宽度变窄，从而提高可见光催化活性。并降

8、低其导带电位，使其禁带宽度变窄，从而提高可见光催化活性。（2）金属离子的掺杂）金属离子的掺杂目前研究较多的金属掺杂离子主要有目前研究较多的金属掺杂离子主要有 Fe、Co、Ni、Cu和和W等过渡金等过渡金属离子和属离子和Ce、Nd、La等稀土金属离子。研究表明，金属离子掺杂主要是等稀土金属离子。研究表明，金属离子掺杂主要是通过嵌入晶格间隙或是取代钛原子，在通过嵌入晶格间隙或是取代钛原子，在TiO2晶格中增加电子空穴捕获点晶格中增加电子空穴捕获点位，从而位，从而减少了减少了TiO2表面光生电子与空穴的复合，使表面光生电子与空穴的复合，使TiO2表面产生了更表面产生了更多的多的OH和和O2-，提高了

9、催化剂的光催化活，提高了催化剂的光催化活（3）共掺杂）共掺杂 随着离子掺杂改性研究的不断深入，越来越多的人将两种或两种以上随着离子掺杂改性研究的不断深入，越来越多的人将两种或两种以上的金属或是非金属共掺杂进行研究，如非金属和非金属（的金属或是非金属共掺杂进行研究，如非金属和非金属（B/N 、C/N）、）、金属和非金属（金属和非金属（Fe/N、Ce/N）、金属和金属（）、金属和金属（Ce/Co、Pt/Cr）（4）半导体复合）半导体复合 通过半导体复合可提高系统的电荷分离效果，扩展光谱响应的范围。通过半导体复合可提高系统的电荷分离效果，扩展光谱响应的范围。其修饰方法包括简单的组合、掺杂、多层结构和

10、异相组合等。研究较多其修饰方法包括简单的组合、掺杂、多层结构和异相组合等。研究较多的：的：CdS、SiO2、SnO2等。等。 溶胶溶胶- -凝胶法凝胶法该法利用了所形成凝胶的优良分散功能及凝胶最终的热处理过程,所得产物的颗粒均匀性、分散性良好,并可有目的地控制产物的粒径。在溶胶凝胶法中,有机钛盐(或称钛酸酯) 通常作为起始原料去合成目标产物。 由于TiO2具有强氧化作用，能够氧化各种有机物污染物，尤其是芳烃和芳香类有机物能够被其降解为小分子，直至变成CO2和H2O，并且这种光催化氧化反应在常温常压下进行，对生物法难以降解的有毒有机物，均有良好的处理效果。 7.7.磁性载体的制备磁性载体的制备

11、由于负载的光催化材料比表面积小，光催化材料易于从载体上脱落使光催化效率降低，因此，磁性纳米 TiO2 包覆材料逐渐受到人们的关注。磁性纳米 TiO2 是一类对外加磁场具有良好的磁响应性能的光催化纳米材料，它可以通过设置一个外加磁场实现催化剂的回收，进而完成再生、利用，为节约能源，降低成本提供保证。磁性纳米 TiO2 的优点在于：一方面，它保留了传统粉末状 TiO2 的高比表面积和高的光利用效率；另一方面，解决了粉末状 TiO2 回收困难的缺点，因此在众多领域具有广阔的应用前景。磁性纳米 TiO2 光催化材料可以通过施加外加磁场完成催化剂和污水的分离。 在磁性 TiO2 光催化材料的磁性核心选择

12、上，目前已有不少研究者进行了研究，其中主要以 -Fe2O3 、Fe3O4 、CoFe2O4 、NiFe2O4 、MnFe2O4 等磁性介质为载体，通过二组分或多组分包覆 TiO2 实现在不影响其光催化效率的同时完成磁性回收的过程。(1)共沉淀法共沉淀法按物质的量之比为Co2+: Fe3+=1: 2,称取一定量的硝酸钴和三氯化铁,溶于100ml去离子水中,在电动机械搅拌同时水浴升温至62;然后加入NaOH溶液调节pH至11-13;继续机械搜拌并超声分散,加热升温至72,恒温反应1h,磁力沉降,水洗3次,得到铁酸钴纳米磁性粒子。（2）自蔓延燃烧法）自蔓延燃烧法 将硝酸铁、硝酸钴按物质的量比 2：1

13、 溶于去离子水中， 以金属离子总物质的量与柠檬酸物质的量比为 1:1加入柠檬酸，不断搅拌，用浓氨水调整溶液pH值，水浴中缓慢蒸发得到红棕色溶胶。然后将该溶胶在烘箱中干燥成干凝胶，在空气中点燃干凝胶后发生自蔓延燃烧形成膨松的棕褐色粉末。 将其充分研磨，即得纳米粒子! 创新之处创新之处（1 1） 建立溶胶建立溶胶- -凝胶法制备新型多元素共掺杂二凝胶法制备新型多元素共掺杂二氧化钛光催化剂的方法。氧化钛光催化剂的方法。（2 2） 系统研究不同温度、时间、系统研究不同温度、时间、pHpH、金属离子、金属离子掺杂量对新型二氧化钛基光催化活性的影响规律。掺杂量对新型二氧化钛基光催化活性的影响规律。（3 3） 确定新型二氧化钛基光催化剂对有机废水确定新型二氧化钛基光催化剂对有机废水处理的工艺条件，为进一步对废水处理提供理论处理的工艺条件，为进一步对废水处理提供理论依据。依据。进度安排进度安排自制光催化反应器自制光催化反应器紫外条件下光催化降解甲基橙效果图紫外条件下光催化降解甲基橙效果图0601201802403000.00.10.20.30.40.50.60.70.8absorbancetime(min) 纯TiO2 Nd-TiO2不同催化剂降解甲 基橙不同催化剂降解甲 基橙紫 外