光催化材料的基本原理

1、二， 光催化材料的根本原理 半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此， 在导带形成 光生电子，在价带形成光生 空穴 。利用光生电子 -空穴对的复原氧化 性能，可以降解周围环境中的 有机污染物以及光解水制备H2和02。高效光催化剂必须满足如下几个条件： 1半导体适当的导带和价 带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能， 在光 解水应用中，电位必须满足产H2和产02的要求。2高效的电子- 空穴别离能力，降低它们的复合几率。 3可见光 响应特性：低于 420nm 左右的紫外光能量大概只占太阳光能的 4%，如何利用可见光 乃至红外光 能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用

2、的先 决条件。常规 anatase-type Ti02 只能在紫外光响应，虽然通过搀杂 改性，其吸收边得以 红移 ，但效果还不够理想。 因此，开发可见光 响应的高效光催化材料是该领域的研究热点。 只是，现在的研究状况 还不尽人意。三， 光催化材料体系的研究概况 从目前的资料来看，光催化材料体系主要可以分为氧化物，硫化物， 氮化物 以及磷化物氧化物：最典型的主要是Ti02及其改性材料。目前，绝大局部氧化 物主要集中在 元素周期表中的d区，研究的比拟多的是含Ti, Nb，Ta的氧化物或复合氧化物。其他的含 W, Cr, Fe , Co , Ni, Zr等金 属氧化物也见报道。个人感觉，d区过渡族金

3、属元素氧化物经过炒菜 式的狂轰乱炸后， 开发所谓的新体系光催化已经没有多大潜力。 目前， 以日本学者J. Sato为代表的研究人员，已经把目光锁定在 p区元素氧 化物上，如含有Ga，Ge, Sb，In，Sn, Bi元素的氧化物。硫化物：硫化物虽然有较小的禁带宽度，但容易发生光腐蚀现象，较氧化物而言，稳定性较差。主要有Z n S,C d S等氮化物：也有较低的带系宽度，研究得不多。有T a/N,N b/N等 体系磷化物：研究很少，如G aP按照晶体 /颗粒形貌分类：1层状结构*半导体微粒柱撑于 石墨及天然/人工合成的层状 硅酸盐*层状单元金属氧化物半导体女口： V2O5 , MoO3 , WO3

4、等*钛酸，铌酸，钛铌酸及其合成的碱土金属离子可交换层状结构 和半导体微粒柱撑于层间的结构*含Bi层状结构材料，(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba , Bi, Pb; B=Ti, Nb , W)，钙钛矿层(An-1BnO3n+1)2-夹在(Bi2O2)2+ 层之间。 典型的有： Bi2WO6 ，Bi2W2O9 ，Bi3TiNbO9*层状钽酸盐： RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm)2通道结构比拟典型的为BaTi4O9 , A2Ti6O13 A=K, Na, Li,等。这类结 构往往比层状结构材料具有更为优异的光催化性能。 研究认为， 其性 能主要归咎于金属

5、 -氧多面体中的非对称性,产生了偶极距,从而有 利于电子和空穴别离 3管状结构：在钛酸盐中研究较多 4晶须或多晶 一维 材料经由 VLS, VS, LS 如水热合成,熔盐法机制可制备一维材料； 液相合成中的软模化学法制备介孔结构的多晶一维材料 对于该种行貌的材料,没有迹象说明,其光催化性能得以提高 5 其他形状复杂的晶体或粉末颗粒最典型的是ZnO材料，根据合成方法不同，其行貌也相当丰富四,提高光催化材料性能的途径 1 颗粒微细纳米化降低光生电子 -空穴从体内到外表的传输距离,相应的,它们被复合 的几率也大大降低。 2过度金属掺杂和非金属掺杂金属：掺杂后形成的杂质 能级可以成为光生载流体的捕获阱

6、, 延长载 流子的寿命。Choi以21种金属离子对TiO2光催化活性的影响，说明Fe3+, Mo5+ , Re5+, Ru3+, V4+, Rh3+ 能够提高光催化活性,其中Fe3+的效果最好。具有闭壳层电子构型的金属离子如Li+ , AI3+ ,Mg2+ , Zn2+ , Ga2+ , Nb5+ , Sn4+对催化性影响甚微非金属：TiO2中N, S，C，P，卤族元素等对于掺杂，个人的认识，其有如下效应：*电价效应：不同价离子的掺杂产生离子缺陷，可以成为载流子的捕 获阱，延长其寿命；并提高 电导 能力*离子尺寸效应：离子尺寸的不同将使 晶体结构 发生一定的 畸变，晶 体不对性增加，提高了光生电子 -空穴别离效果*掺杂能级：掺杂元素电负性大小的不同，带隙中形成掺杂能级，可 实现价带电子的分级跃迁，光响应红移 3半导体复合利用异种半导体之间的能带结构不同，复合后，如光生电子从 A粉末 外表输出，而空穴从B外表导出。也即电子和空穴得到有效别离4外表负载 将半导体纳米粒子固定技术在不同的载体上多孔玻璃、 硅石、分子 筛等制备分子或团簇尺寸的光催化剂。5外表光敏利用具有较高重态的具有可见光吸收的 有机物，在可见光激发下， 电 子从有机物转移到半导体粉末的导带上。 该种方法不具有实用性， 一 方面，有机物的稳定性值得