纳米金属在光催化中的应用

1、纳米金属在光催化中的应用姓名：张玉庭 学号：5901109189 班级：机制094摘要：纳米科学技术是当今卅界最有前途的决定性技术之一，而纳米金属是纳米材料 中的一个重要的组成部分。文章简要地介绍了纳米材料和纳米技术的涵义，概述了纳 米金属氧化钛(ti02)在光催化领域屮具有的重要意义和作用及其在实际屮的应用！ 同吋展望了纳米金属材料在光催化中的应用前景！关键词：纳米技术;纳米金属;氧化钛(ti02);意义;应用；前景name: zhangyuting student number: 5901109189 class: mechanism 094 abstract: nanotscicncc

2、and nanotechnologies the one of the world's most promising decisive technology, and nano-metal is a important component of nanomaterials. the article briefly outlines the meaning of nanomaterials and nano-technology , the significance and role of tio2's application in practice, and the prosp

3、ect of nano-materials applications in photo catalytic.key words: nanotechnology; nano metal; tio2; significance; applications; prospects1. 引言1. 1纳米金属材料纳米金屈材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体 薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。纳米级结构材料简称为纳米 材料(nano material),是指其结构单元的尺寸介于1纳米100纳米范围之间。由 于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来

4、的自组织使得性质 发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此 其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质 在整体状态时所表现的性质。1.2纳米科学技术纳米科学技术是在0. lnm-loonm尺度空间内，研究电了，原了和分了运动规 律与特性的高技术学科。纳米科学技术涵盖纳米物理学，纳米电子学，纳米材 料学，纳米机械学，纳米制造学，纳米显微学，纳米计量学，纳米化学，纳米 生物学，纳米医学。纳米科学技术是现代物理学与先进工程技术相结合的基础 上诞生的，是基础研究与应用探索紧密联系的新兴高尖端科学技术。2. 纳米金属在光催化中的应用2.

5、1光催化技术的发展概况1972年，fujishima在n 型半导体tio2电极上发现了水的光催化分解作用， 从而开辟了半导体光催化这一新的领域。1977年，yokota t等发现在光照条件下，ti02对丙烯环氧化具有光催化活性， 从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新的思路。近十年来，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研究发展迅速, 半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。2. 2纳米金属光催化领域中的应用概述纳米催化剂具有表而效应，吸附特性及表面反应等特性，因此纳米催化剂在催化 领域的应用十分广泛。实际上，国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。我国 目

6、前在纳米材料的研究应用水平在某些方面处于世界领先地位，已实现产业化的纳米 si02 (vk-sp15)、cac03> 纳米 tio? (vk-tg01)、纳米 zno (vk-js03)等少数几个 品种，这些制备出来的纳米材料在催化领域中主要用于两个方面：一是直接用作主催 化剂，二是作为纳米催化剂载体制成负载型催化剂使用。纳米粒子作光催化剂有着许多优点，首先是粒径小，粒子达到表面数量多，光催 化效率高；其次是纳米粒子分散在介质中具有透明性，容易运用光学手段和方法来观 察界面间的电荷转移及纳米粒子光催化剂受氧化还原的影响等。利用纳米tio2 (vk-tgo1)的光催化性质来处理废水和改善环

7、境是一种行之有效的方法，纳米ti02 (vk-tg01)光催化剂能有效地分解室内外的有机污染物，氧化去除大气中的氮氧化 物、硫化物，以及各类臭气等；在tio2±沉积5%纳米m0s2时，苯酚分解速度与非负 载型tio?相比提高了一倍；将cds颗粒制成纳米级，其对甲醇氧化成乙二醇的光催化 活性显著提高；另外，用m0s2做光催化剂进行苯酚的光氧化时，当颗粒尺寸为4.5nni 时，可利用大于450nm的光进行反应，而用直径大于的mos?就不行。下面是关于 纳米金屈ti02的一些介绍。3. 纳米金属ti023.1概述纳米ti02具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好 的发展前

8、景。纳米二氧化钛述具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超 亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、 纺织、光催化触媒、白洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工 业、航天工业中。3. 2纳米金属tio2的光催化作用当前，纳米金属tio2基光催化剂作为一种价廉，无毒，节能，高效的光催化降解空 气和水中有机污染物的材料，受到人们广泛重视，成为当前国际热门研究领域尽管纳 米tio2具有优良的光催化性能,但由于其较宽的带隙而只能被紫外光激发，而太阳光 谱中仅含有3%左右的紫外线，这就极大地限制其在环境净化实际中的应用.因此，通过 对纳米tio2的掺杂改性研究，从

9、而获得对可见光敏感的光催化剂成为极具挑战性的 课题，也是当前国际研究前沿为此，国内外科学工作者开展了大量研究工作，结果表 明，金屈掺杂，非金屈掺杂以及表而光敏化等方法可有效地将tio2光谱响应范围从紫 外区拓展至可见光区，使其在可见光照射下,具有光催化降解有机污染物和杀灭病毒, 细菌的活性，本文对这方面的研究进行了简要综述。3. 3 ti02光催化氧化原理ti02光催化研究起源于1972年h本科学家fujishima和honda用ti02薄膜 为电极，利用光能分解水的实验。1976年,j h carry报道了 t102光催化氧化法用 于污水屮pcb化合物脱氯去毒的成功结果后，半导体ti02光催

10、化技术被用于水处理 领域的各个方面。纳米ti02以其性质稳定、无毒、催化活性高、价廉等特性而成为 较理想的催化剂,它对难降解的有机物具有很好的降解作用，能处理多种有机和无机 污染物，因此，具有广阔的应用前景。ti02光催化反应机理ti02屈于一种n型半导体材料,ti02的禁带宽度为32 ev ,当它受到波长小于或等于387. 5nm的光线照射时，价带屮的电子就会被激发到 导带上，形成带负电的高活性电子e -，同吋在价带上产生带正电的空穴h + （h +的氧化电位以标准氢电位计为3. 0 v ,比起氯气 的1. 36 v和臭氧的2. 07v，其氧化性要强得多），形成电子一空穴对的氧化一还原 体系

11、。在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表而的不同位置。分布在表面的空穴h+可以将吸附在ti02的011 一和1120分子氧化成拜基自由 基（ 0h ,其标准电极电位为2. 80v）。 0h的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物，将其最 终降解为c02、h20等无害物质，甚至能够氧化细菌体内的有机物生成c02和h20。 而另一方面tio2表面高活性的电子e -则具有很强的还原能力，可以还原除去水体 中的金屈离子。tiojs于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev （锐钛矿），当它受到波长 小于或等于387. 5mn的光（紫外光）照射吋，价

12、带的电子就会获得光子的能量而越前至 导带，形成光生电子（3）;而价带中则相应地形成光生空穴（h）,如图1-1所示。图1-1 tioz光电效应示意图fig. 1-1. schematic diagram of photoelectric transfer effect on ti©如果把分散在溶液中的每一颗tio?粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则 光电效应应产牛的光牛电子和空穴在电场的作用下分别迁移到tio?表面不同的位置。 tioz表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴v则可氧化吸附 于tioz表而的有机物或先把吸附在tio?表而的0h和也0分子氧化成 0

13、h自由基， 0h 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及 无机污染物，将其矿化为无机小分子、co?和出0等无害物质。反应过程如下：tq + hv h+c(3)h +c >热能(4)h + 0h-> oh(5)h + h2o f 0 h + he- +o2 -> c)2(7)o2 + h+ ->ho2 (8)2 h2o 一> o2+ h2o2(9)h2o2 + 6-> oh + h'+ 02(10) oh + dye >t co2 + h2o(11)h + dye*-> co2 +h2o(12)由机理反应

14、可知,tio?光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。3.4 ti02光催化剂的制备及其改性ti02光催化剂的制备方法一般分为气相法和液相法。气相法包括气体冷凝法、 活性氢一熔解金属反应法、溅射法、流动液面上真空蒸镀法、通电加热蒸发法和混合等离子法;液相法包括沉淀法和溶胶一凝胶法、微乳液法、 水热合成法等。目前广泛使用的tio2光催化材料虽然稳定性好，催化效率高，但主要使用的是 387. 5 nm以下的紫外光，这部分光辐射到地面仅占光辐射总量的4 %左右。所以，0 前均釆用人工光源，有能耗大的问题。如果能将光催化剂的光谱利用范围扩展到可见 光，则可使设备投资和运行成本大大降低。因此，将光催化

15、有效波长扩展到可见光区的 研究引起了国内外科学家的高度重视，已成为近年来光催化研究的热点课题。目前常 用的改性方法有以下两种：一种是对催化剂进行表面改性；另一种是将催化剂制成纳 米材料。改性后的tio2降低了电子一空穴在表面的复合几率，将可利用光谱从紫外光 区扩展到可见光区，体现出了越来越多的优越性.4. 纳米材料的前景纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电 子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代。纳米材料的应用 涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前 景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有

16、可能从根本上解决人 类而临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种 新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以 及发展纳米结构的新型产品，目前己出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增 长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放界彩的明星展现在新材料、能源、 信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材 料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到口益广泛的应用。4.1信息产业中的纳米技术纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：网络通讯、宽频带的

17、网络 通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。光电子器件、分子电 子器件、巨磁电子器件，这方而我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也 还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。网络通讯 的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面。4. 2环境产业中的纳米技术纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技 术。要净化环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、 一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于loppm的有害气体降低到0. lppm,该 设备已进入实用化生产阶段；利用多

18、孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中 有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。 近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量, 已初见成效；采用稀土氧化饰和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果 也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近己在实验室初步研究成功。4. 3能源环保中的纳米技术合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利 用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循 环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂己 经有了，实

19、际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发 新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能 量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转 化为电能等。4. 4纳米生物医药这是我国进入wto以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业而临新的决 策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物屮提取必要的物质， 然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后, 用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统 药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。4. 5纳米新材料虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国测算，到21世纪30年代, 汽车上40%钢铁和金属材料要被轻质高强材料