【《影响光催化活性的因素研究文献综述》2600字】

影响光催化活性的因素研究文献综述1.1能带结构根据能量和波长的不同，研究人员将辐射到地球的太阳光分为紫外光、可见光和红外光。光的波长与频率成反比，由普朗克公式可知，紫外光能量最大，红外光能量最低，它们在光催化方向的应用都受到或多或少的限制。除此之外，可见光在太阳光的占比最大（约50%），其能量也比较合适，是目前研究的主要方向。半导体光催化剂可吸收的最大光波长（g）与它的带隙宽度能量（Eg）之间的关系可以表示如下： (1.1)由上式可知，半导体光催化剂的能带结构直接决定了其对太阳光的利用程度。一般情况下，带隙越窄的光催化剂对太阳能的利用率越高，反之则相反。普通的光催化剂。由于其带隙较宽，对太阳光的利用率都比较低，只能够吸收一小部分的太阳光，主要是紫外光或者近紫外光，其光催化的应用也相应地受到限制。带隙宽度较窄的光催化剂在理论上可以吸收更长波长的光，其可吸收光的波长范围也更大。然而，带隙宽度越窄也意味着分离后的光生电子和空穴更容易重新复合，最终以光子或者热量的形式散发出去，导致这类光催化剂的催化效率也很低。除了催化剂的带隙宽度之外，催化剂的价带和导带的具体位置对催化反应的效率也产生极大的影响。如图1.2所示是一些常见的半导体催化剂的能带结构[3]。就光催化降解反应来说，催化剂的价带和导带的位置要能够使其产生相应的活性基团，进而参与到氧化还原反应中去降解污染物。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s12常见半导体光催化剂的能带结构[3]Figure1.2Bandstructureofcommonsemiconductorphotocatalysts1.2晶体结构光催化剂的晶型结构与它的光学、化学性质以及光生电子-空穴对的分离效率都有着直接的关系。例如，最常见的光催化剂材料TiO2的晶型就有红金石、板钛矿和锐钛矿（图1.3）。其中，板钛矿的结构复杂且极其不稳定，锐钛矿和红金石的结构较稳定，且锐钛矿型的光催化性能要比红金石型的更强。这主要是因为：（ⅰ）锐钛矿型TiO2中能够捕获电子的氧空位较多，在实际的光催化反应中电子-空穴对的分离效率更高。（ⅱ）锐钛矿型TiO2的带隙更宽，更高的导带位置和更低的价带位置赋予其更强的氧化还原能力。（ⅲ）锐钛矿的晶体结构更加的活泼，其比表面积也更大，有利于吸附氧气的吸附，电荷转移更快。类似的情况在Bi2O3上也存在，且晶型结构的不稳定性阻碍着其在光催化领域的应用。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s13（a）四方红金石，（b）斜方板钛矿和（c）四方锐钛矿的晶体结构[4]Figure1.3CrystalstrucutureofTiO2(a)tetregonalrutile,(b)orthorhombicbrookiteand(c)tetragonalanatase此外，光催化剂材料暴露的晶面数量及类型在一定情况下影响着其光催化性能，这就是半导体材料的晶面效应。高百分比的未配位原子的组成的晶面往往能量比较大，在非均相催化反应中的活性较强，所以，暴露的高能量晶面的占比对催化剂材料的性能有着有极大的影响。研究发现，锐钛矿型TiO2的（001）晶面比（101）晶面的能量更高，催化性能更强。Pan等[5]通过X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见光吸收光谱（UV-vis）技术证实了其（001）晶面的带隙宽度和导带位置是分别小于和高于（101）晶面的。通过对TiO2晶面结构的调控，优化其暴露的（001）与（101）晶面的比例，在一定的反应条件下，TiO2的催化活性可以达到最高。这是因为：一方面，高能量的（001）晶面大量暴露，其晶面上的原子活性更高，能够提供更多的活性位点；另一方面，不同晶面之间通过所形成的晶面异质结，可以有效抑制光催化反应中电子-空穴对的复合，提升其光量子效率。1.3形貌尺寸由于光催化反应主要涉及的是表面反应，形貌调控同样能对半导体的光催化性能进行调控。光催化剂的形貌特征与它的光学性能、吸附性能和化学稳定性之间都有一定的联系。一般来说，我们可以通过改变前驱体、溶剂和反应条件（如时间、温度、pH值和气氛），以及采用模板法和表面活性剂等操作来对实现对催化剂形貌尺寸的调控。1.4催化反应的条件除了催化剂本身的性质外，光催化反应时的外部条件同样是影响光催化反应效率的主要因素之一。作为光驱动的催化反应，光的强弱与波长直接影响着催化剂的性能。光照强度过低会导致受激发的光生载流子不足，无法提供足够的催化活性。光照强度过高会使其催化效率会因反应体系温度升高所引发的催化剂团聚现象而降低。光照的波长范围，这与催化剂本身的光响应范围是相联系起来的。对于一定条件下，加入到反应体系的光催化剂的量同样影响着其光催化效率。光催化剂的用量过少会导致光的利用率过低，光生电子-空穴对的产生不足，同时其催化活性位点的数量也比较少，往往催化效率不是很理想。太多的光催化剂会造成一定的浪费，且光催化效率会因为透光性的下降而降低。反应体系的pH值也影响着催化剂的性能，特别是在光催化降解有机染料的反应中。因为它能够通过改变催化剂和污染物的表面带电性来影响催化剂的吸附性能，最终影响其光催化性能。过酸或者过碱的反应环境都有可能改变光催化剂的性质。此外，一定的条件下，碱性溶液中存在的氢氧根离子能够进一步向羟基自由基转换，为催化降解反应提供更多的动力来源。参考文献[1] 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