光催化剂的研究与展望ppt

1、L/O/G/O光催化剂的研究与展望光催化剂的研究与展望主要内容研究目的与意义什么是光催化TiO2光催化剂的研究现状未来光催化剂的研究方向 定义：定义：光催化是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，光催化是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围的氧气及水分子激发成极具氧化力的自由负离子。 光催化光催化光催化材料：光催化材料：包括TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2，CdS等多种氧化物硫化物半导体，其中TiO2因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。 当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发

2、到导带(CB)形成光生电子-空穴。价带空穴是强氧化剂价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂导带电子是强还原剂。空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的自由基基团（ HO . ）电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的自由基基团(.O2-, HO . 等)空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2, H2OA: 半导体吸收光，产生电子和空穴的过程B: 电子和空穴表面复合过程C:电子和空穴体内复合过程D: 还原过程E: 氧化过程光催化原理光催化剂的历史和应用 1972年，Fujishima(藤岛昭教授)在半导体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

3、新的领域。 1977年，Yokota发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催化活性，拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新思路。 此后，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。常见的光催化材料ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn(OH)2铁的氧化物会发生光腐蚀金属硫化物在水溶液中不稳定，会发生光腐蚀，且有毒！TiO2WO3Fe2O3ZnOCdSTiO2粉体常用光催化剂TiO2的结构与性质金红石型锐钛矿型P25是70:30锐钛矿-金红石混合物具有锐钛矿，金红石及板钛矿三种晶体结构，只有锐钛矿结构和金红石结构具有

4、光催化特性g (nm)1240/Eg (eV) 禁带宽度禁带宽度 Eg=3.2 eV, 波长波长 g=387 nm TiO2 在光催化和光电转换方面应用前景十分广阔, 而阻碍其应用的是它的禁带宽度( Eg=3.2eV) , 不能有效地利用太阳能, 因此研究开发因此研究开发可见光响应的可见光响应的TiOTiO2 2 就成为当前光催化剂研究的关键课题。就成为当前光催化剂研究的关键课题。目前TiO2 可见光化的研究取得了一定进展, 金属离子掺杂、非金属离子掺杂、离子注入以及染料光敏化等方法都不同程度地实现了TiO2 可见光化。TiO2催化基理及当前研究现状 提高TiO2光催化活性的途径 目前的TiO

5、2光催化剂存在两个问题： 效率低 只能吸收紫外光u金属离子掺杂修饰u非金属离子掺杂u半导体复合u染料光敏化解决方法：解决方法：过渡金属离子 V、Ni、Rh、Cd、Cu、Fe、Co 等稀土金属离子 La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd、Sm 等贵金属离子 Au、Ag、Pt、Ru 等无机离子以及其它离子 N、C、S及卤素离子掺杂 掺杂某些金属元素后，会在掺杂某些金属元素后，会在TiO2禁带中形成新能级，使吸收光禁带中形成新能级，使吸收光谱向可见光方向移动。谱向可见光方向移动。金属金属离子可离子可捕获导带捕获导带中的电子，抑制电子和空穴的复合，但是中的电子，抑制电子和空穴的复合，但是掺杂浓度过高，金属

6、离子可能成为电子空穴复合中心。两者综合掺杂浓度过高，金属离子可能成为电子空穴复合中心。两者综合作用的结果就形成一个波峰，金属离子的掺杂浓度对作用的结果就形成一个波峰，金属离子的掺杂浓度对TiO2光催化光催化效果的影响通常呈现抛物线关系。效果的影响通常呈现抛物线关系。贵金属掺杂贵金属(如Pt, Pd, Au, Ru等)对半导体催化剂的修饰是通过改变电子分布来实现的。在TiO2表面沉积适量的贵金属后，由于金属的费米能级小于TiO2的费米能级，即金属内部和TiO2相应的能级上，电子密度小于TiO2导带的电子密度。因此，载流子重新分布，电子从TiO2向金属扩散，直到它们的费米能级相同。电子在金属上的富

7、集，相应减小了TiO2表面电子密度，从而抑制了电子和空穴的复合，提高TiO2的光催化活性。研究表明，随Au或Ag等贵金属含量的增加，掺杂贵金属的TiO2薄膜对可见光的吸收增加, 这是由于纳米金属颗粒的表面等离子共振引起的，其中Au/TiO2尤其显著。Au/TiO2样品被可见光照射后,表面等离子共振使金属粒子周围的振荡电场增强,导致从表面态向TiO2导带的电子易于激发，使得Au/TiO2在可见光波段( 420-700nm)都出现了阳极光电流。沉积Ag后的TiO2光催化性能Pt的改性效果最好，但成本较高；Ag改性的相对毒性较小，成本较低。因此，Ag沉积改性制备高活性催化剂是未来提高TiO2活性的重

8、要方向之一将窄禁带半导体与纳米TiO2进行表面复合，利用不同能级半导体之间光生载流子的输运和分离提高TiO2活性。当用能量较小的可见光照射时，窄禁带半导体发生带间跃迁，由于能级差异，产生的光生电子转移至TiO2的导带，空穴则聚集在窄禁带半导体的价带，这样就使电子与空穴得到有效的分离，从而提高光催化活性。与单一的半导体相比，它们表现出更好的稳定性和催化活性。无机光敏化剂如 CdS、Fe2O3、SnO2、WO3等。半导体复合CdS与TiO2耦合半导体 CdS吸收可见光产生电子和空穴，电子会从吸收可见光产生电子和空穴，电子会从CdS的导带流向更稳的导带流向更稳定的定的TiO2的导带，并在的导带，并在

9、TiO2的导带富集，而空穴会富集在的导带富集，而空穴会富集在CdS的价带，的价带，有效分离光生电子与空穴，提高了光催化结果有效分离光生电子与空穴，提高了光催化结果 。染料光敏化光敏化是延伸TiO2激发波长范围的主要途径之一。通过添加适当的光活性敏化剂,以物理或化学吸附于TiO2表面。添加的物质在可见光下具有较大的激发因子,在可见光照射下,吸附态光活性分子吸收光子后,被激发产生自由电子,然后激发态光活性分子将电子注入到TiO2的导带上,从而扩大了TiO2激发波长的范围, 使之能利用可见光来降解有机物。已见报道的敏化剂包括一些贵金属化的复合化合物如Ru及Pd、Pt、Rh、Au的氯化物及各种有机染料

10、包括叶绿酸、联吡啶钌、曙红、酞菁、紫菜碱、玫瑰红等。有效的光敏化要求在保证光活性分子吸附前提下, 光活性物质的激发态的电位与TiO2的导带电位相匹配导带电位相匹配。大多数敏化剂在近红外区吸收很弱, 其吸收谱与太阳光谱还不能很好匹配。另外, 敏化剂与污染物之间往往存在吸附竞争吸附竞争, 敏化剂自身敏化剂自身也可能发生光降解发生光降解, 这样随着敏化剂的不断被降解, 必然要添加更多的敏化剂。因为上述方面的原因, 关于TiO2光活性物质光敏化研究的报道有减少趋势。TiO2光催化剂的可见光化研究, 将为人类充分利用太阳能, 改善人类生活环境迈出重要的一步。经过世界各国科学家的共同努力, TiO2可见光

11、化研究虽然已经取得了一定的进展, 对TiO2的各种改性方法或多或少都提高了太阳能的利用率。但从目前的研究成果看,可见光催化或能量转换效率还普遍偏低, 对各种改性方法的光催化机理存在争议,并且由于光催化反应体系的复杂性，动力学研究存在许多困难，实际应用过程中载体性质与负载方法对光催化剂活性的影响等问题仍需进一步深入探讨。 因此可见光TiO2光催化剂的研制仍将是今后的研究热点。总结今后在基础研究基础研究方面, 如TiO2光催化剂的机理, 纳米TiO2制备技术和设备,纳米TiO2结构与物理、化学性能之间的关系, 纳米TiO2粉体表征方法、晶型、粒径的有效控制理论等方面应继续深入。 在应用研究应用研究方面,