半导体光催化

1、勺已勺n周佳丽20100920228化学工程与工艺2010级2班化学化工学院晁自胜蒋健晖20132013 年 0606 月 1717 日论文题目:学生姓名:学生学号:专业班级:学院名称:指导老师:学院院长:HUNAN UNIVERSITY-V/1_.- - -_ _Yji-半导体光催化目录摘要. 3 3关键词. 3 3一、绪论. 3 3二、半导体光催化的原理. 4 4三、半导体光催化剂. 8 8四、.光催化技术的应用1111光催化制氢. 1111废水处理. 1111空气净化. 1111饮用水处理. 1212白清洁涂层. 1212抗菌作用. 1313五、半导体光催化技术的存在的问题及研究进展 .

2、 1313六、结语. 1616参考文献. 1717半导体光催化光催化材料以其光致电、空气净化、杀困除臭、废水处理等独特 功能而备受研究者关注。综述了半导体光催化技术原理、研究发展现 状及其产业化应用进程，分析了该领域尚存在的一些问题并对未来研 究方向进行了展望。关键词：光催化剂；半导体；原理；应用一、绪论光催化技术是从 2020 世纪 7070 年代逐步发展起来的一门新兴环保技术.它根据半导体氧化物材料在光照下表面能受激活化的特性，达到氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味等效果？.半 导体光催化技术作为一种环保的新技术，在降解污染物方面具有诸多 优点，如：降解没有选择性，不会产生

3、二次污染；可以降低能量和原 材料的消耗；光催化剂具有廉价、无毒、稳定，以及可以重复利用等 特点.因此，该技术在抗菌、防腐、净化空气、改善水质及优化环境 等方面心刮具有巨大的社会效益和经济效益，以及广阔的应用前景。二、半导体光催化的原理光催化现象是 2020 世纪 7070 年代 FijishimaFijishima 和 HondaHonda 等人在研究 水在二氧化钛电极上的光致分解时发现的。 他们借鉴植物的光合作用 原理设计了一个太阳光伏打电池，即在水中插入一个 n n 型半导体二氧 化钛电极和一个钳（钳黑）电极，当用波长低于 415415 nmnm 的光照射氧 化钛电极时，发现在二氧化钛电极

4、上有氧气释放， 在钳电极上有氢气 释放.产生这一现象的原因在于，光照使半导体二氧化钛阳极产生了 具有极高氧化还原能力的电子-空穴对.在上述的光致半导体分解水 的过程中，半导体仅作为一种媒介在反应前后是不变化的，但借助它却把光能转化成了化学反应的推动力.在这种意义上，半导体与催化 反应中催化剂起相类似的作用.随后的大量研究发现，不用外电路直 接将沉积有金属钳的二氧化钛悬浮于水中，在光照下它也能导致水的 分解.光催化正是在这个概念和方法基础上发展起来的。半导体光催化的基本原理是用半导体作光催化材料（或与某种氧 化剂结合），在特定波长的光辐射下在半导体表面产生氧化性极强的 空穴或反应性极高的羟基白由

5、基。这些氧化活性离子与有机污染物、 病毒、细菌发生强烈的破坏作用，导致有机污染物被降解，病毒与细 菌被致灭，从而达到降解环境污染物净化环境（水、空气）和抑菌杀菌 的作用。目前，半导体光催化技术已成为最活跃的研究方向之一，美 国和日本对此进行了大量的研究，并开发了一系列产品推向市场。我 国在这方面的研究也有 2020 多年的历史。本文就半导体光催化原理、 应用及其产业化进程等方面的问题进行了概述， 指出了存在的问题及未来的发展方向目前发现的有光催化活性的物质主要是一些半导体材料，如 TiO2TiO2、ZnOZnO也-Fe2O3-Fe2O3 ZnSZnS CdSCdS WO3WO3 SnO2SnO

6、2 SrTiO3SrTiO3 等等. .其中最有实用意义的仅有 TiO2,TiO2,其廉价、易得、无毒无害、化学性质稳定、抗光腐 蚀性强.特别是其光致空穴的氧化性极高，还原电位可达 + + 2.2. 5353 V,V, 还可在水中形成还原电位都比臭氧正的羟基白由基（ OHOH . .同时光 生电子也有很强的还原性（氧化还原电位为-0.-0. 5252 V V ）,可以把氧分 子还原成超氧负离子（O2-O2-），水分子岐化为过氧化氢（H2O2H2O2。所以 TiO2TiO2 具有很强的氧化还原催化能力，非常适合于环境催化应用。光催化材料利用光子的能量来催化化学反应。 半导体能带是不连 续的，价带

7、（VBVB）和导带（CBCB）之间存在一个禁带，当用能量等于或大于 禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子被激发，跃过禁带进入导 带，同时在价带上相应的产生电子（e e 一）一空穴（h+h+）对。若在复合之 前将其转移至表面，则电子被表面分子所吸收并将其还原；同样，空 穴可以催化表面的氧化反应。其微观过程如图 1 1 所示。11半导体光催化机理光生电子一空穴的复合是在小于 10-910-9 S S 内完成的，为防止其再复 合，氧化和还原速率最好相等或相近。整个过程中关键的一项是各带边的位置，首先，只有能量高于带隙(&)的光才可以被吸收；另外， 仅当导带(CB)(CB)底的能量大于还原样

8、(A/(A/) )的还原势时，还原反应才 可发生。同样，价带(vB)(vB)底的能量要低于氧化样(D/D+)(D/D+)的氧化势氧 化反应方可进行。光催化剂在水溶液中要能稳定存在也很重要。电子一空穴对诱发光的化学反应如下：厂+h+(1)无+H?。H卜 + 0H(2)(2)+ 厂H厂+02(x+日2。*以+屈为+OHHOT+廿HQ 2HO, , -a+HmHQ, + 厂+H+任0SemiconductorSolutionReductionA/AD/D*OxidationCBE.任+厂0打+,加(10)(11)五十 +一(12)式中：M M 弋表半导体晶体。晶体表面的光生电子(e-)(e-)和空穴

9、(h+)(h+)与 HO2HO2一 .-和 0202 反应，形成 C C2称活性很强的白由基 H2O2H2O2、- - 0K0K。出和 HC2HC2 - -等。这些白由基具有很强的氧化分解能力， 可以破坏含有 C-CC-C、C-HC-H、C-NC-N、C-C-。N-HN-H 键的许多化合物，将其彻底降解为无毒、无害、无二次污染 的无机小分子化合物，能起到光催化分解的作用，具有杀菌、除臭、 光催化降解有机污染物、净化空气等功能。建筑物涂服中所用光催化 剂的工作示意图见图 2 2。首先，在日光照射下搬催化剂将 NONO 和 S0S02等-一2-有害气体氧亿成为能溶解丁水的无害离子 NONO 和 S

10、QSQ 等，随后这些离 子经雨水冲刷排入下水道。Ti02Ti02 光激活生成的游离基的紫外光吸收光谱如图 3 3光催化系统工作示意E围3水介质中活性色的瞬态光谐I n e I. b *仁三、半导体光催化剂半导体光催化剂能加速以电子转移为特征的氧化、 加氢和脱氢等 反应。与金属催化剂一样亦是氧化还原型催化剂， 其催化性能与电子因素和晶格结构有关。具有以下优点：在光、热、杂质的作用下，性能会发生明显的变化，这有利于催化剂性能的调变；半导体催化剂的 熔点高，故热稳定性好；较金属催化剂的抗毒能力强。良好的光催化材料应具备以下几个特点： 最佳的能隙；很强 的可见光或紫外光吸收能力；在强电解液中具有很好的

11、稳定性； 在半导体和电解液之闻有良好的导电率。光催化剂大多是宽带隙的 N N型半导体，研究过的多为金属氧化物或硫化物如：Ti0Ti02、Zn0Zn0、SnCSnC2、WOa-Fe-Fe20 03、SrTi0SrTi0 3 3、Si0Si02、NiONiO、CdSCdS ZnSZnS PbSPbS CuCu20 0 等。彳艮多窄带隙的光催化材料（CdSCdS、CdSeCdSe PbSPbS MoSMoS、CiCi20 0）的可见光吸收 能力强，但易发生化学和光化学腐蚀在水中形成有害离子， 故不适合作纯净水用光催化剂；也-Fe-Fe20 03吸收可见光，激发波长为 563nm563nm 但催化活性

12、较低；SnCSnC2、WOWO 勺催化活性也较低；宽带隙的光催化剂（Ti0Ti02、Zn0Zn0、SrTi0SrTi0 3 3、ZnSZnS）具有良好的光催化性能，但因光吸收能力较差而 影响催化效率。Ti02Ti02 不仅具有很高的光催化活性，而且具有耐酸碱腐 蚀、耐化学腐蚀、稳定性好、成本低、无毒等优点，被证明是应用最 广泛的光催化剂。其瓶颈在予，只有在短波紫外光的照射下 Ti02Ti02 才能 表现出光催化特性，而紫外光仅占太阳光的 3 3%4%,4%,其中能被 Ti02Ti02 吸收用于光催化反应的也只有 30%30%。因此，提高 Ti02Ti02 吸收用于光催化 反应的也只有 30%3

13、0%增强其可见光吸收能力，充分有效地利用太阳能 资源成为目前一个前沿的发展方向。近年来，随着纳米科技的发展而兴起的纳米光催化技术已成为半导体光催化方面的高科技竞争领域。纳米 Ti0Ti02光催化应用技术工艺简 单，利用白然光即可催化分解细菌和污染物，具有高催化活性、无 二次污染、无刺激性等特点，且能长期有益于生态白然环境。通过纳 米光催化材料这一 “媒介”，太阳能不仅可以转化成化学能一一氢， 作为高效、经济、环保的清洁燃料，以代替石油支撑社会经济，还能 将太阳能转化为电能，代替水力和火力发电，同时也能通过光催化作 用，分解有毒有害物，净化环境，是最具开发前景的绿色环保催化剂 之一，这种技术已经

14、成为各国高科技竞争中的一个热点。光催化剂通常有光催化粉体、光催化涂料、涂膜材料、光催纯瓷 砖、光催化过滤材料、道路用光催化砌块材料等。可有效降解无机气 体（硫化物和氮化物等）、有机废气，如：碳氢化合物、苯及苯系物，醇类、醛类、酚类、酮类、酯类、胺类、腊类、氧类、氨基类等，是 一种新型有效的环境净化材料。2020 世纪 9090 年代以来，光催化产品的应 用领域进展很快，主要产品包括：空气净化（除臭）机，如家用、车用 或冷库用空调机；下水、废水处理设备；建筑物外墙用防污、防雾“白 洁”瓷砖、玻璃、涂料等。广泛应用予污水处理站、污水泵站、房地 产、食品生产、汽车制造、白行车、摩托车、家用电器、电线

15、电缆、 漆包线、电器、仪表、石油化工、涂料、医药、印刷、纺织、人造合 成本材、皮革、铸造等行业。四、光催化技术的应用光催化制氢氢是一种清洁、高效率，并具有高燃烧值的能源。但目前的氢能 还主要是依靠煤和天然气的重整来获得，这必然会加剧非可再生能源 的消耗，而且还会带来环境污染问题。以水和生物质等可再生物资为 原料，利用太阳能光催化分解水制氢的方法可以从根本上解决能源及 环境污染问题，光催化分解水制氢已成为新能源探索的研究热点之一。 废水处理有机化合物废水处理的常规方法有吸附法、混凝沉降法、生化法 等，但这些常规的处理法很难去除难降解的有机物，即使降解了也容易造成二次污染。而 TiOTiO2光催化

16、氧化技术是一种深度处理技术，可以 对水中的染料、卤代脂肪炷、卤代芳炷、有机酸、杂环化合物、炷类、 酚类、表面活性剂、农药等有机物进行有效的光催化反应，将其氧化 成 COCO 和 H H20 0等无机小分子，以消除对环境的污染。空气净化目前，我们面临越来越严重的空气污染，来白工业生产、汽车尾 气、室内建筑材料缓慢释放的有机气体造成了室内外的空气质量显著 下降.研究表明，利用 TiOTiO2光催化所产生的活性氧可有效地降解这些 有机污染物，而且不产生二次污染。例如，在居室墙壁、办公室玻璃， 以及陶瓷等建材表面，涂敷 TiOTiO2光催化薄膜或在房间内安放 TiOTiO2光催 化设备，不仅能减少空气

17、中的微生物和病菌污染颗粒，而且还能有效降解空气中的各种有害有机物质和臭味物质， 净化室内空气，改善空 气质量。19961996 年，李庆霖等人发明了大空间光催化空气净化机，该机 能够有效、快速地光解和消除有害气体，并通过静电吸附来去除粉尘 及油雾、烟雾等有害物质，同时还能杀灭空气中的细菌、病毒。饮用水处理饮用水的水源污染，特别是微量有机物的污染，给白来水行业带 来了严重的问题。TiOTiO2光催化作为一项新兴的水处理技术，在饮用水 处理上受到极大的重视。.它能够有效地避免 ClCl2,O,O, C1OC1O2等消毒剂 所产生的副产物（如三氯甲烷，NONO 畦），并具有较强的灭菌能力，同 时能够

18、去除细菌死亡过程中释放出来的毒素， 且在这一过程中不产生 对人体有害的中间产物。这使得 TiOTiO2在饮用水的处理问题上具有不可 估量的发展前景。白清洁涂层将 TiO2TiO2 在基片上制备成薄膜，由于 TiO2TiO2 表面有超亲水性，污物不 易在其表面附着，而且太阳光中的紫外线足以维持 TiO2TiO2 薄膜表面的亲 水特性，可以使 TiO2TiO2 表面长期具有防污的白清洁效应。 将超细化 TiO2TiO2 烧结在玻璃或陶瓷上，形成透明的薄膜，也可以将超微细化 TiO2TiO2 制成 涂料，涂在瓷砖、塑料、纸的表面，利用 TiO2TiO2 的光催化氧化反应在其 表面灭菌、除臭、 防污，

19、 达到白洁净的效果。 在高层建筑或汽车的玻 璃上烧结一层 TiOTiO2 2薄膜，附在其表面上的油污能白行分解，且在潮湿 或下雨天气，玻璃表面不会形成“水气”，从而起到白洁作用，并具 有防雾功能，因此可以用镀有 TiO2TiO2 薄膜的镜子做汽车的后视镜，以提 高行车的安全性。抗菌作用人们生活的环境中存在着各种各样的有害微生物，不仅影响人们的健康，甚至危及生命。纳米 TiO2TiO2 光催化剂能够迅速抗菌与杀菌，且 具有较强的杀菌力，在杀死细菌的同时，还能降解由细菌释放出的有 毒物质，从而彻底杀灭细菌。研究表明，在制冷设备中，利用 TiO2TiO2 涂层可杀灭绿藻、乳杆嗜酸细胞、大肠杆菌、酵母

20、菌、链球菌，以及 噬菌体 M M 对日脊髓灰质炎病毒等。五、半导体光催化技术的存在的问题及研究进展2121 世纪资源、环境及能源将是我们面临的三大主题， 光催化技术 是解决这些问题及维持人类可持续发展的关键所在。光催化技术的研究在世界各地已迅速展开，并取得了长足的进展，且不断有新创造、 新产品问世，但其中仍存在诸多问题，归纳起来大致有以下几个方面。(1)(1)光催化剂的固载化。为使半导体光催化剂便于回收利用，其 固载纯授术已戒势关键闻题之一，相关酶研究涉及以玻璃、单晶硅等 为载体的光催化薄膜的研究和大孔径、高比表面积多孔结构负载光催 化剂的研究。固载量多而牢，对光催化剂活性影响小，寻求耐冲击性

21、 好的载体是关键。(2)(2)光催化活性的改善。一方面可以通过复合 1 1 种或几种氧化剂、 金属或半导体的方法来提高光催化活性； 另一方面，可以通过拓宽半 导体光催化剂激发光源的波长范围间接改善。 通过温度控制、离子掺 杂等手段可以有效控制光催化过程中产生的一系列中问产物， 防止催 化剂“中毒”而失活。(3)(3)光催化工艺的改善。一是纳米光催化化剂的分散。光催化剂的粒度越小，活性越高。但粒度过小则易发生二次团聚。目前研究较 多的纳米光催化剂的粒度一般在 30n30n 似下，比表面积大于 10m10m：yg,yg, 体系总界面能很高，使体系处于热力学不稳定状态，有白发团聚降低 表面能的趋势。

22、因此分散问题是限制其性能发挥的关键。二是半导体 光催化反应的即时表征。为了获得高性能的光催化剂，催化反应过程 中催化剂结构的变化及其对催化性能的影响也很关键，对其微观过程的表征及机理的深入研究将有助于推动其飞跃式发展。三是研制合理经济的光催化反应器，是光催化技术迅速产业化进程中的制约因素之(4)(4)太阳能的利用和低成本化。目前采用较多的是紫外光源，太 阳能的利用研究已获成功， 若能完全以廉价的太阳光作为快速有效的 激发光源，相信将是一次革命性的飞跃。此外，便是光催化剂的低成 本化问题。目前关于光催化剂对各种有机物氧化降解的普适性已成为共识，虽然不同的有机物由于结构，组成上的差别在降解活性上有

23、一些差别， 但总体上看，光催化基本上是一个没有选择性的化学过程，所以再进行大量的不同反应物的光催化活性的评价研究意义已不是很显著，当前重复研究、无明显根据的解释已时有出现。 所以未来的光催化研究 应该集中在机理的深刻认识、光响应范围宽和量子效率高的催化剂制 备、和光催化剂技术工程化及新型光催化产品开发四个方面。首先要高度重视反应机理的研究.从一开始人们一直沿用半导体能带理论来解释光催化过程，虽然这一理论已经被普遍的接受， 但 不是所有的实验结果都能完全用它可给出清楚的解释。比如，TiO2TiO2经金属离子或硫酸根修饰后，有时光催化剂的能带结构、光吸收及其 带边并没有发生明显的改变，而光催化活性

24、却有显著的提高；有时光 催化剂的吸光度显著降低，其活性反倒提高.。再如关于杂质掺入量 对催化剂活性的影响，掺杂使活性提高时认为杂质是载流子的分离中 心，而掺杂使活性降低时认为杂质又是载流子的复合中心，来白能带理论的这种解释并不能告诉人们杂质影响的本质原因.最近有研究表明，沸石分子筛也是一种好的光催化剂，作为绝缘体，其作用机理 尚难从半导体的概念上去认识。因此，应该结合当代对多相催化的理 解寻求从分子水平上了解光催化的本质，这就要求研究者一方面要加 强光催化动力学，特别是反应中间体测定的研究，另一方面要采用先 进的物理表征手段原位测定光照下所发生在催化剂表面的微观物理 和化学过程，并通过机理的认识来指导高效光催化剂的合成。其次是光催化剂的开发.目前公认的真正能实际使用的光催化 剂只有TiO2,TiO2,其已采用各种方法制备， 如 Sol-GelSol-Gel 法、 改进的 Sol-GelSol-Gel 法、 MOCVIMMOCVIM、磁控溅射射法、反向胶束法等；能够获得的各种钛源，如各种有机钛酸酯、各种无机钛、金属钛和其它有机钛化物等；能使 用的可种沉淀剂，如各种有机的和无机的化合物等进行了合成制备研 究， 也进行了大量的各种掺杂、复合等体相和表面的修饰研究，这些 方法都没有获得光催化活性的重大改进的效果. .最近，AsahiAsahi 通过溅