光催化降解小分子有机污染物甲醛的研究ppt课件_第1页
光催化降解小分子有机污染物甲醛的研究ppt课件_第2页
光催化降解小分子有机污染物甲醛的研究ppt课件_第3页
光催化降解小分子有机污染物甲醛的研究ppt课件_第4页
光催化降解小分子有机污染物甲醛的研究ppt课件_第5页
已阅读5页,还剩43页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

1、LOGO工业催化原理工业催化原理C a t a l y s i s i n industrial processes厦门大学化学化工学院化工系过渡金属半导体氧化物催化剂过渡金属半导体氧化物催化剂v 金属氧化物中缺陷和半导体性质v 满带:凡是能被子电子完全充溢的能带叫满带。v 导带:凡是能带没有完全被电子充溢的。v 空带:根本没有填充电子的能带。v 禁带:在导带空带和满带之间没有能级不能填充电子这个区间叫禁带。半导体的禁带宽度普通在0.2-3eV。导体E(a)绝缘体E(b)5eV10eV本征半导体E(c)0.2eV0.3eVN型半导体E(d)施主能线P型半导体E(e)受主能线EfEfEf本征半导

2、体、本征半导体、n型半导体、型半导体、P型半导体型半导体v N型半导体和p型半导体的构成v 当金属氧化物是非化学计量,或引入杂质离子或原子可产生n型、p型半导体。v 杂质是以原子、离子或集团分布在金属氧化物晶体中,存在于晶格外表或晶格交界处。这些杂质可引起半导体禁带中出现杂质能级。v 假设能级出如今接近半导体导带下部称为施主能级。施主能的电子容易激发到导带中产生自在电子导电。这种半导体称为n型半导体。v 假设出现的杂质能级接近满带上部称为受主能级。在受主能级上有空穴存在。很容易接受满带中的跃迁的电子使满带产生正电空穴关进展空穴导电,这种半导体称为p型半导体。半导体费米能级与逸出功的关系半导体费

3、米能级与逸出功的关系施 主受 主EFEF本 征npEFn型半导体与型半导体与p型半导体的生成型半导体的生成v n型半导体生成条件v A非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成n型半导体。v B氧缺位v C高价离子取代晶格中的正离子v D引入电负性小的原子。v P型半导体生成条件v A非化学计量比氧化物中出现正离子缺位。v B用低价正电离子取代晶格中正离子。v C向晶格掺入电负性在的间隙原子。半导体导电性影响要素半导体导电性影响要素 温度升高,提高施主能级位置,添加施主杂质浓度可提高n型半导体的导电性。 温度升高,降低受主能级位置或添加受主杂质浓度都可以提高p型半导体的导电才干。

4、催化剂制备上措施:晶体缺陷,掺杂,经过杂质能级来改善催化性能。杂质对半导体催化剂的影响杂质对半导体催化剂的影响 1、对n型半导体 A参与施主型杂质,EF导电率 B参与受主杂质, EF 导电率 2、对p型半导体 A参与施主型杂质EF导电率 B参与受主型杂质EF 导电率半导体催化剂化学吸附与催化作用半导体催化剂化学吸附与催化作用1、化学吸附A受电子气体吸附以O2为例1在n型半导体上吸附 O2电负性大,容易夺导带电子,随氧压增大而使导带中自在电子减少,导电率下降。另一方面在外表构成的负电层不利于电子进一步转移,结果是氧在外表吸附是有限的。2p型半导体上吸附 O2相当于受主杂质,可接受满带的电子添加满

5、带空穴量,随氧压的添加导电率增大,由于满带中有大量电子,因此吸附可不断进展,外表吸附氧浓度较高。B)对于施电子气体吸附以H2为例对于H2来说,不论在n型还是p型氧化物上以正离子(H+)吸附于外表,在外表构成正电荷,起施主作用。吸附气体半导体类型吸附物种吸附剂吸附位EF导电率受电子气体O2N型V2O5O2O2-O-,O22-,O2-V4+ V 5+负 离 子 吸 附在 高 价 金 属上P型Cu2OO2O2-O-,O22-,O2-Cu+Cu2+负 离 子 吸 附在 高 价 金 属上 施电子气体H2N型ZnO1/2H2H+Z n 2 +Zn+正 离 子 气 体吸 附 在 低 价金属离子上 P型NiO

6、1/2H2H+Ni3+Ni2+正 离 子 气 体吸 附 在 低 价金属离子上 P型半导体和它的型半导体和它的EF能级能级v 当过渡技术 构成低价氧化物如NiO,Cu2O,CoO等,常构成金属阳离子缺位的非计量化合物。如NiO其中Ni2+缺位,以各缺位相当于两个单位的正电荷“2+,由于晶体坚持电中性,必然引起缺位附近两个Ni2+离子价态的变化,即2Ni2+“2+2Ni3+,这里Ni3+=Ni2+,Ni2+可以接受电子称为受主原子,当温度升高时空穴可以成为自在空穴。v 在外电场作用下,满带电子可以定向地向受主能级跃进迁,这种主要靠准自在空穴导电的半导体称之主P型半导体。P半导体的EF能级应处于满带

7、项处EV和受主能级EA之间的中间位置。Ef(Ej)EgEcEAEFEV禁带空带导带EAP型半导体能带EA为受主能级EF能级在过渡金属和半导体中的区别能级在过渡金属和半导体中的区别v 对于过渡金属而言v 电子的EF能级处在导带之内,反映金属地带量子态的填充程度。但对于的半导体情况的EF位置会发生变化。普通都处于禁带。反映地不是电子的一格允许能级但同样代表着半导体中电子表的平均能量,物力意义是一致的电子在该能级出现的几率为v F(Ej)=1/2F导带禁带满带N型半导体掺杂型半导体掺杂掺杂的两种方式施主型掺杂提高供电子的物质浓度。如ZnO中参与Al3+由于费米能级升高而使逸出功降低。导电率升高。受主

8、型掺杂它减少了可提供电子的物质浓度。如在ZnO中添加Li+会使Zn+浓度下降,呵斥ZnO逸出功升高和导电率降低。p型半导体掺杂型半导体掺杂掺杂的两种方式施主型掺杂准自在空穴浓度的降低。这是导致EF能级的升高,使得逸出功变小和导电率下降。受主型掺杂情况类似如何判别参杂杂质类型如何判别参杂杂质类型掺杂杂质类型可以从杂质对半导体的逸出功和导电率影响来判别。1、用逸出功来判别假设引入某种杂质后,半导体的逸出功变小,那么这种杂质是施主型的,相反那么为受主型杂质。2、用导电率来判别对于n型,凡是使导电率添加的物质为施主型杂质,相反那么为受主型杂质。对于P型,凡是使导电率下降的物质为施主型杂质,相反那么为受

9、主型杂质。n型半导体生成条件A)非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成N型半导体。B)氧缺位。C)高价离子取代晶格中的正离子。D)引入电负性小的原子。P型半导体生成条件A)非化学计量比氧化物中出现正离子缺位。B)用低价正电粒子取代晶格中的正离子。C)向晶格掺入电负性大的间隙原子。LBLAa吸附为rdsLBLAb吸附为rdsLBLAc最佳半导体氧化物催化机理半导体氧化物催化机理A+BCA-B-施主键受主键ee举例:举例:CO在在NiO上氧化反响上氧化反响 CO+1/2O2=CO2 H=272KJ/mol 1O2在NiO上发生吸附时,电导率由10-11欧姆-1厘米-1上升为10-7

10、欧姆-1厘米-1 。 2测得O2转为O-吸时量热法测得微分吸附热为41.8kJ/mol, 3测得CO在NiO上微分吸附热是33.5KJ/mol,而在曾经吸附了O2的催化剂外表微分吸附热是293KJ/mol。 这阐明CO与NiO吸附不是普通的化学吸附而是化学反响。CO在在NiO上催化氧化反响机理上催化氧化反响机理1Ni 2+ +1/2O2+Ni 3+ O -吸2O -吸+Ni 3+COgCO2吸+Ni 2+3CO2吸 CO2g总式:CO+1/2O2 CO2RC H 2C H 3RC H 2C H 2H+-+-+-RC HC H 2C H 2=C H RHH+-H 2+-烃类在半导体型催化剂上的脱

11、氢过程烃类在半导体型催化剂上的脱氢过程过渡金属氧化物催化特点过渡金属氧化物催化特点v 半导体对催化性能的影响v N型有利于加氢复原,P型有利于氧化。v 费米能级的高低可以调理催化剂的选择性,如丙烯氧化制丙烯醛时,经过引入Cl-来改动催化剂的选择性。v 与电子构型的关系d0、d10金属离子吸附时,d0无电子反响,d10吸附较弱。外表物种较为活泼,不会发生深度氧化。金属催化剂与氧化物催化剂催化特点金属催化剂与氧化物催化剂催化特点v 部分氧化对于C-C键断裂的催化过程,反响的关键是氧的活化,外表物种为亲电子的O2-和O-对于无C-C断裂的主要采用O2-晶格氧。v 金属氧化物与金属催化剂的区别是氧化物

12、可以催化氧化复原反响,主要是氧化反响其次是脱氢、氧化脱氢及加氢。氧化物只需有可变的价态都有一定的催化作用,而不象金属催化剂受周期表位置的限制。但催化活性比金属要差。抗中毒方面相对金属而言要好一些,同时熔点高耐热性强。半导体催化剂的掺杂改性半导体催化剂的掺杂改性v 2CO+O2=2CO2为例v CO氧化CO2用P型如NiO掺入Li+起受主作用,添加空穴,降低了反响的活化能。如参与Cr3+施主使Ni空穴数减少添加了反响的活化能。v 假设在催化剂上CO吸附变成正离子是控制步骤,CO起外表施主的作用CO把电子给了P型半导体NiO减少空穴不利于接受CO电子假设参与Li+会添加空穴数使导电率长高,用利于外

13、表吸附这一控制步骤的进展。vCO氧化用N型半导体ZnO参与Li,CO氧化活化能添加,参与Al3+活化能减小。v假设CO在n型半导体ZnO上氧化O2吸附是控制步骤,那么ZnO电子增多有利于O2的吸附,ZnO掺入Li+受主使n型导电率下降,掺入施主给电子有利于O2变成负离子,降低CO氧化活化能。金属氧化物催化剂氧化复原机理金属氧化物催化剂氧化复原机理选择性氧化部分氧化选择性氧化部分氧化v 外表氧种v Oad-O2O-O2-v O-构成在第一类过渡金属氧化物p型上,这类氧化物具有较多的能提电子的中心,也即阳离子易发生价态变化的。v O2-构成在第二类过渡金属氧化物N型上,这类氧化物具有较少的电子给体

14、中心。v O2-构成在不易吸附氧的具有盐特征的氧化物上,氧与最高氧化态的金属离子构成确定构造。氧容易交换。v O2-和O-易发生完全氧化,而O2-易发生选择氧化。v 构成了O2- 、O-亲电反响物,攻击电子密度最高处的另了一个反响物。而O2-是亲核试剂是经过亲核插入到反响物中缺电处的。晶体配位场实际晶体配位场实际v要点v中心离子与其周围配位体氧离子的相互作用而使中心离子的d轨道能级在配位体电场的作用下会分裂为几个能量不同的部分。v对于在八面体场作用下而使原来由能量一样的简并轨道构成的d轨道变成能量不同的两级轨道,即:eg组:dz2,dx2-y2;t2g组:dxy,dxz,dyz八面体场八面体场

15、为分别能为分别能对于不同的配位体场下对于不同的配位体场下d能级分裂能级分裂成对能与分别能关系成对能与分别能关系v 成对能:当轨道上曾经被一个电所占据,假设要将第二个电子进入此轨道并与之配对时第二个电子与原有电子之间存在着一定的排斥作用抑制这种排斥作用所需求的能量称之为电子成对能。用P表示。成对能P与分别能之间存在以下关系。v 1,电子力图占据最稳定轨道,2电子力图平行分占不同轨道Hund规那么。1种情况取决于晶体场,2种情况与相互作用有关。假设p低于那么构成低自旋,反之构成高自旋。对于d1,d2,d3,d9和d10这种影响是一致的,只需一种稳定的分布。而对于d4,d5,d6,d7 p那么电子应

16、尽能够量相对较低的轨道,出现强场低自旋排布,而p那么电子应尽能够分占不同的d轨道并坚持自旋平行,出现弱场高自旋的电子排布。v 晶体场稳定化能CFSE v d电子处于未分裂的d轨道的总能量和它们进入分裂的d轨道的总能之差。即d电子从未分裂的d轨道进入分裂后的d轨道后产生的总能量下降值。v 这种由于中心离子或原子d轨道的分别,给予氧化物络合物额外的稳定能,称这种能量为稳定化能CFSEv CFSE对催化作用的影响v 对六配位的八面体按SN-1机理进展反响时将构成五配位中间过渡态构型。按SN-2机理进展时将构成七配位的中间过渡态构型。晶体场稳定化能CFSE按配位场实际进展的过渡金属氧化物催化过程按配位

17、场实际进展的过渡金属氧化物催化过程v 假设我们把吸附物当作配位体,多相催化过程可以看作是均相配位络合催化过程的一个特例。v 这样多相反响过程的吸附过程可以引起稳定化能CFSE的变化。如在岩盐型构造氧化物100外表金属离子的配位构型 退过吸附会从正方锥体五配位变成八面体六配位。按SN-1机理吸附作用对弱场中电子构型为d3和d8离子CFSE是有利的。相反对反响物脱附来说那么弱场中的d4和d9离子和对强场中的d2,d7,d9离子有利。岩盐氧化物岩盐氧化物d电子定域能级图电子定域能级图氧化复原型过渡金属氧化物的配位景象氧化复原型过渡金属氧化物的配位景象过渡金属氧化物稳定化能过渡金属氧化物稳定化能1异丙苯液相多相氧化异丙苯液相多相氧化2乙苯液相氧化乙苯液相氧化稳定化能活化能对催化的影响稳定化能活化能对催化的影响由正八面体正方锥体SN-1的E值见上表,吸附对弱场中电子构型为d3,d8有利。对强场中构型d3,d5,d8有利相反反响物脱附那么对。吸附吸附NiO外表配位数发生变化外表配位数发生变化A正方锥正八面体,B正四面体 正方锥 正八面体,C平面三角正方锥正八面体烯烃的吸附可以看作有烯

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论