【《光催化技术的应用及机理研究文献综述》3400字】

第光催化技术的应用及机理研究文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u29207光催化技术的应用及机理研究文献综述 1156021.1光催化的研究进展 1290211.2光催化的应用研究 2133391.3光催化的机理 3120511.4光催化材料 42817参考文献 5光催化技术是指，利用电子在空穴之间迁移形成载流子，进而达到电子转移的目的，加速催化反应。提高催化效率的关键因素，其中有一点就是载流子的高效产生和快速迁移。根据实验推断得出：效果较好的光催化剂，必须能够吸收较多波长的光，并且载流子能够高效分离和迁移。但是，现如今许多光催化剂对光能的利用率比较低，其光生载流子也不能在催化过程中实现快速高效的分离，这使得光催化效率低下，光能转化效率不足，是影响目前光催化效率的主要因素。1.1光催化的研究进展目前，光催化最初的发展是在1967年，由Honda等[26]人发现，在适当条件下，TiO2电极在紫外光的照射下，可以将水分解为氢气和氧气，这就是著名的“本多-藤岛效应”（Honda-FujishimaEffect）。在不久后的1976年，Carey等[27]人创新性的发现并证实TiO2的光催化作用。他们发现，在紫外光照射的条件下，TiO2可以将多氯联苯分解，这一发现是目前已知的光催化应用在降解污染物领域的创造性工作，吸引大批学者投身于研究光催化。在自1983年起开始的一项研究中，A.L.Pruden和D.Follio[28]发现光催化降解也可以用于烷烃、烯烃和芳香烃的氯化物等难降解有机污染物，这一结果使得光催化在环境领域的应用得到了巨大提升。1977年，YokotaT[29]团队发现了TiO2对丙烯环氧化的光催化活性，这一发现给光催化带来了新的研究方向，有机物的合成从此多了一种全新的方法。随着众多科学家的深入研究，几十年来，光催化在污染物的降解、重金属离子还原、CO2还原、太阳能电池的开发与应用、新型抗菌材料的研发、自清洁等众多领域有了突破性的进展，光催化材料也不仅只有最初的TiO2，许多新兴的半导体材料在经过试验后被应用在生产实践中。1.2光催化的应用研究（1）水污染治理随着工业化和现代化的不断发展，环境污染问题日趋严重，水污染是其中重中之重。对于污水的处理，光催化降解具有绿色环保、无二次污染等优点。对于较为常见的各种染料污染源，如亚甲基蓝（MB）、罗丹明B（RhB）、甲基橙（MO）等，光催化剂可以高效的将其降解。其他通常难以取去除的有机污染物，如苯酚、双酚A（BPA），光催化剂对其也有一定法催化降解作用。此外，对于水体中的常见的有毒重金属离子，如Cr6+、Pt4+、Au3+等，使用光催化剂可以将其还原为低价离子，以减弱其毒性[30-33]。（2）水分解在传统的燃烧化石能源过程中，虽然可以提供大量的热能，但也伴随污染物的产生，目前已知最为清洁的能源就是氢气，氢气燃烧后只生成水，能量利用率极高且无污染。但氢气的制备是问题的关键，利用水作为反应物，通过光催化作用分解水制备氢气是一种可行的办法[34,35]。目前的研究中，光催化水分解制备氢气的效率还不算高，进行大工业化生产还需要努力研究。（3）CO2还原人类的生产生活给向环境中排放了大量的CO2气体，仅靠地球自身的吸收转化远远不够，近年来温室效应越发明显，极端气候频发，这就是自然的警示。降低大气中CO2含量是目前需要解决的重大问题之一，利用光催化技术，将CO2还原为甲烷、甲醇、甲酸等有机化合物，具有很高的应用价值[36,37]。（4）抗菌传统抗菌材料[38,39]主要被分为有机材料和无机材料两大类。研究表明，用于抗菌材料的试验样品，相比于有机材料，无机材料具有更好的效果。其中，负载有银、铜等重金属离子的无机杀菌剂在试验中能够快速的使细胞失去活性。但后续检验发现，死亡后的细胞会释放有毒组分，如肉毒素等。当然光催化的研究方向绝不止上面提到的这些，还有机合成、自清洁、太阳能电池等等。总而言之，光催化技术领域虽然经过了几十年的发展，但依旧有巨大的探索空间，仍有许多未知在等待发掘。将一些成熟的光催化技术应用到生产生活实践中，也给人类的生活带来了莫大的改善。1.3光催化的机理目前，大多数情况下光催化就是指半导体光催化，这是由于绝大多数光催化剂均是半导体材料。在半导体材料中，其能带结构并不是连续不断的，在价带和导带之间，存在一块被称之为禁带的特殊区域。价带往往充满电子，而导带却是空的，二者之间的最大能量差被称之为禁带宽度，一般用Eg表示[30]。一般来说，光催化的反应过程，按照发生时间的先后顺序，可以简化为以下几个步骤：(1)当光能照射到催化剂表面后，催化剂获得的光能如果大于其自身的禁带宽度，将会促使其价带上的电子e-吸收光能，达到激发态并跃迁至导带，伴随电子的跃迁，价带上将会产生电子空穴h+；(2)通过电场或者扩散作用，新产生的电子e-、和空穴h+会分别迁移至半导体表面；(3)在半导体表面，汇聚大量的光生电子和空穴，分别具有超强的还原能力和氧化能力，当目标被催化物与其接触，将发生氧化还原反应，从而达到污染物的降解、水分解制氢气等结果。以最常见的TiO2光催化实验为例，其反应原理如图1-1所示：图1-1二氧化钛光催化原理图[30]1.4光催化材料（1）金属氧化物TiO2是最常见且应用研究最多的金属氧化物基光催化材料，近年来又发现了许多其他金属氧化物诸如Fe2O3，WO3，ZnO，Bi2O3，In2O3，SnO2，Cu2O等被用于光催化反应中[40,41]。过渡金属氧化物，尤其是3d基过渡金属氧化物，对污染物的分解具有良好的催化作用。引入第三高价金属元素的三元金属氧化物，可以有效地调节材料表面的电子结构，使中间产物的吸、脱速度加快，将催化活性再度提高。（2）金属硫化物金属硫化物材料在光催化领域的研究应用中主要以CdS和MoS2[42,43]两种材料为代表。这两种材料具备二维层状结构，且可以通过将其处理得到单层结构来调控其能带，使禁带宽度变宽，从而改变其光学性能和电学性能。从禁带宽度来讲，相比于金属氧化物，金属硫化物具有更窄的禁带宽度，这使得它们可以更加充分地吸收和利用可见光，记忆不增强光催化作用。（3）Bi基光催化剂各种金属铋化合物的催化剂是近年来光催化研究中的热门领域。由于铋元素处于过渡金属边缘，具有独特的价电子层，可以有多种不同价态。不同的铋基化合物性质不尽相同，但许多都具有较好的禁带宽度和光吸收性能。其中，卤氧化铋BiOX（X=Cl、Br、I）材料具有独特的层状结构，[Bi2O2]2+层和双X-交替排列，更加容易形成空穴和电子，有助于提高电子和空穴的分离效率，这使得其光催化效果大幅提升[44]。其他铋基氧化物，如BiVO4、Bi2WO6、Bi2MoO6等也具有许多优于其他材料的光催化特性，从而受到广泛研究。但光生载流子的寿命和迁移效率并不能达到很高的实际应用需求，因而，选择有效的改性方法以提高铋基光催化剂的光催化性能尤为重要[45]。（4）Ag基光催化剂银作为一种常见的贵金属，受到人们的追捧，但其也拥有许多良好的物理化学性质。其中，银基光催化剂Ag3PO4、Ag2CrO4、AgBr等材料就被应用于光催化中，这是由于其拥有较好额可见光响应效果。但银基光催化剂还存在许多缺陷，如稳定性不高、光腐蚀问题严重等。（5）其他光催化材料除了上述主要光催化材料以外，还有许多其他光催化剂被发现并应用。其中能够响应可见光、禁带宽度合适的g-C3N4就是一种稳定的非金属半导体催化剂。有关红磷的研究中，FengWang等[46]发现，在可见光下，通过Pt的催化作用，可以将H2O分解H2。研究表明，α-S（S8）可在紫外、可见光下降解有机分子、分解水[47]，是一种良好的元素半导体光催化材料。在光催化领域，同样还有一些金属有机复合材料，ChengWang等[48]采用金属离子对MOFs材料进行掺杂，其产物在水分解和二氧化碳还原被证实有效。Pi-FengWei等[49]构建了一系列超稳定的苯并恶唑基共价有机框架材料作为无金属光催化剂，可在可见光下将芳基硼酸氧化为酚。参考文献[1] 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