光催化材料课件

1、目录1972年，Fujishima 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。光催化技术的发展历史 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)激发到导带(CB)形成光生电子-空穴。价带空穴是强氧化剂，而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

2、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: 氧化过程半导体光催化基本原理PhotocatalystEbg eV)PhotocatalystEbg (eV)Si1.1ZnO3.2TiO2（Rutile）3.0TiO2(Anatase)3.2WO32.7CdS2.4ZnS3.7SrTiO33.4SnO33.5WSe31.2Fe2O32.2a-Fe2O33.1金属硫化物不稳定，会发生阳极光腐蚀

3、，且有毒！铁的氧化物会发生阴极光腐蚀ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn(OH)2常见光催化材料TiO2光催化剂的优点纳米TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂液相法光催化材料TiO2制备方法气相法物理气相沉积法物理气相沉积法（PVD）是利用电弧、高频或等离子体等高稳热源将原料加热，使之气化或形成等离子体，然后骤冷使之凝聚成纳米粒子。其中以真空蒸发法最为常用。粒子的粒径大小及分布可以通过改变气体压力和加热温度进行控制。,该法制备的薄膜质量高、密度大、结合性能好、强度大,而且生产重复性好,适于大面积沉积成膜,便于连续和半连续生产,缺点是薄膜活性较低。化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）利用挥

4、发性金属化合物的蒸气通过化学反应生成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈球形，单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。该过程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要解决粉体的收集和存放问题.光催化材料TiO2制备方法石棉绳 沸石分子筛100 干燥纳米TiO2溶胶浸泡2h,除乙醇灼烧,600 8h负载型纳 米TiO2催化性能 测定24h浸渍法（载体为石棉绳、沸石、分子筛）光催化 目前的TiO2光催化剂存在两个问题： 量子效率低 只能吸收紫外光,太阳能利用率低解决方法：贵金属沉积复合半导体离子掺杂修饰有机染料光敏化光催化材料的改性贵金属沉积沉积Ag后的T

5、iO2光催化性能光生电子在Ag岛上富集，光生空穴向TiO2晶粒表面迁移，这样行成的微电池促进了光生电子和空穴的分离，提高了光催化效率。 金属离子可捕获导带中的电子，抑制电子和空穴的复合，但是掺杂浓度过高，金属离子可能成为电子空穴复合中心。金属离子的掺杂浓度对TiO2光催化效果的影响通常呈现抛物线关系。Company Logo离子掺杂修饰 掺杂离子提高TiO2光催化效率的机制可以概括为以下几个方面：金属离子掺杂非金属金属离子掺杂Fe3+、Co2+、Cr3+ 碳、氮、硫及卤素 有机染料光敏化有机染料对TiO2 的光敏化可以使光催化剂吸收的光波波长红移至可见光范围。染料分子吸收太阳光，电子从基态跃迁

6、至激发态，只要活性物质激发态电势低于半导体的导带电势，光生电子就有可能输送到半导体的导带上，而空穴则留在染料分子中，有效的抑制了电子与空穴的复合，这些光敏化物质在可见光下有较大的激发因子，使光催化反应延伸到可见光范围。常用的光敏化物质有劳氏紫、酞菁、玫瑰红、曙红等。Bi-Ti-O 系新型光催化材料钛酸铋Bi4Ti3O12 是典型的铁电材料，在压电、光存储和电光器件上有着广泛的应用。研究人员在研究Bi 掺杂改性TiO2 时发现，钛酸铋具有较高的光催化性能，是一种很有前途的新型光催化材料。其他光催化材料具有软铋矿结构的一系列新型光催化剂，在紫外光照射下，它们在催化氧化有机污染物方面表现出了优异的性

7、能。软铋矿结构材料的结构通式为Bi12MO20-X，其中M 可以是金属Pb、Ni、Al、Ti、Fe 等元素，这类结构材料属于体心立方的I23 空间群，总体结构为7 个氧原子和Bi 原子排列组成的多面体结构，它和其他的Bi-O 多面体和MO4 四面体共角。这样的结构，提高了它的光催化活性。其他光催化材料其他光催化材料石墨烯基复合材料石墨烯（Graphene）的特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，它具有高导电率，优良的电子迁移速率，更大的比表面积等特性。因此，石墨烯一直被视为能够合成功能性复合材料的重要材料之一。近年来，基于石墨烯或者氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）与半导体纳米材料

8、结合而成的复合光催化剂因其在环境保护以及能源应用等方面具有优异的表现而引起越来越多的重视。目前主要的石墨烯基复合材料主要有TiO2/石墨烯基复合材料,CdS/石墨烯基复合材料,ZnO /石墨烯基复合材料等都具有较好的光催化效果。石墨烯基复合材料石墨烯是良好的电子导体其他光催化材料J. Phys. Chem. C 2012, 116, 8111.石墨烯/ZnO复合材料光催化降解染料其他光催化材料以CdS/石墨烯基复合材料制备为例：（1）以天然的石墨为原料采用Hummers和Hoffman法将其氧化制备得到氧化石墨，后经过超声清洗仪的超声剥离的得到氧化石墨烯的薄片。经超声剥离的氧化石墨烯薄片经过超声及化学还原法制备得到石墨烯薄片。 （2）通过一锅法原位合成出石墨烯在复合材料中有不同掺杂比例的石墨烯/CdS纳米薄片复合材料，运用X射线衍射图谱(XRD)、透射电镜(TEM)等表征手段对制备的样品的晶体结构和形态进行了表征。并借助光化学反应仪研究了其对亚甲基蓝溶液的脱色性能。结果表明：CdS纳米颗粒均匀的分布在石墨烯的表面，粒径大约为90nm左右。石墨烯/CdS在可见光照射下对亚甲基蓝溶液有良好的脱色