光催化材料_

   常用的光催化半导体纳米粒子有 TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3、 CdS 、 ZnS 、 PbS 、 PbSe 、 ZnFe2O4 等。主要用处：将这 类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上， 利太阳光可进行有机物的降解。  应用领域：废水净化处理、汽车尾气处理、降解空气中的有 害有机物、有机磷农药等

  A: 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

  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)形成光致电子-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羟基自由基（ HO 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, H2O

  37环保方面的应用有机物催化剂光源光解产物紫外co紫外hclco羧酸tio紫外氙灯coh表面活性剂tio日光灯co染料tio紫外coo无机离子中间物含氮有机物tio紫外co有机磷杀虫剂tio紫外太阳光crpo光催化能够解决cr6hg2pd2等重金属离子的污染还可分解转化其它无机污染物如cnno2h2sso2nox等有机物的光催化降解38纳米纳米tio2tio2光催化绿色涂料对室内氨气等的降解光催化绿色涂料对室内氨气等的降解光催化材料的应用39灭杀细菌和病毒能够适用于生活用水的的杀菌消毒

  为什么是光催化材料 光催化的机理 光催化材料TiO2制备方法 光催化材料的改性 其他光催化材料 光催化材料的应用

  1.水中所含多种有机污染物可被完全降解成CO2，H2O等， 无机污染物被氧化或还原为无害物 2.不需要另外的电子受体

  4.可以利用太阳能作为光源激活光催化剂 5.结构相对比较简单，操作容易控制，氧化能力强，无二次污染

   可以想象一下，在分子的周围，形成了大量的光致电子和 光致空穴，在光的照射下，他们不断产生，又不断复合， 但是从宏观的角度看，在某一时刻，总是有大量的来不及 复合的电子和空穴的存在，他们不断的寻找自己的猎物。  作为光致电子来说，他们的猎物是电子受体，这样光致电 子就可以还原这个电子受体；  而光致空穴迁移到表面后的猎物时哪些可提供电子的物 质，从而将这些物质氧化。  在过程中生成的羟基自由基和超氧离子自由基等，这些自 由基的氧化能力特别强，强化对污染物的氧化还原反应。  光照时光子被半导体吸收，这是一个贮能过程 。半导体 多相光催化研究的主要内容是利用半导体材料的光敏性将 太阳能或别的形式的光能，通过光催化反应转换为化学能 （如光解水制氢、光催化合成等分子储能过程）或加速某 种化学反应（如污染物的光催化降解）的定向进行。

  1870年的科幻小说中第一次提及，当时提及的月球旅行、海底旅行、机 器人等现在已经实现，水产生氢能源在20世纪成为现实； 特征：取之不尽；绿色清洁；便于储存；使用起来更便捷，即可作为汽车燃料， 也可通过燃料电池直接转化为电能。

   由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使 用和回收不便的问题，在实际的应用中

  1.掺杂能形成捕获中心，价态高于Ti4的金属离子捕获电 子，低于Ti4的金属离子捕获空穴，抑制电子-空穴复合 2.掺杂能形成掺杂能级，使能量较小的光子能激发掺杂能 级上捕获的电子和空穴，提高光子利用率 3.掺杂可以导致载流子扩散长度增大，从而延长了电子和空 穴寿命，抑制复合

  雾霾是特定天气特征情况与人类活动相互作用的 结果。高密度人口的经济及社会活动必然会 排放大量细颗粒物（PM 2.5），一旦排放超 过大气循环能力和承载度，细颗粒物浓度将 持续积聚，此时如果受静稳天气等影响，极 易出现大范围的雾霾。 2014年10月11日北京雾霾引起社会关注。

  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。

  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 ，金属离子有几率会成为电子 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。

  半导体复合的目的是促进体系光生空穴和电子的分离， 以抑制它们的复合，本质上可以看成是一种颗粒对另一种 颗粒的修饰，其修饰方法有简单的组合，掺杂，多层结 构和异相组合，插层复合等。

  • 高稳定性、价廉； • 半导体的禁带宽度Eg要大于水的分解电压； • 能带位置要与氢和氧的反应电势相匹配：导带位置要负于氢电极的 反应电势(EH/H2＋ ηc)，使光电子的能量满足析氢反应要求。价带 位置应正于氧电极的反应电势(Vb ηa)，使光生空穴可以有明显效果地地氧 化水。 • 高效吸收太阳光谱中大多数的光子。光子的能量还必须大于半导体 禁带宽度Eg：若 Eg～3V，则入射光波长应小于400 nm，只占太阳 光谱很小一部分。

  1972年，Fujishima （藤岛）在N-型半导 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 （横田）T等发现了光照 条件下，TiO2对环丙烯环氧化具有光催化活 性，从而拓宽了光催化反应的应用场景范围，为 有机物的氧化反应提供了一条新思路。 近年来，光催化技术在环保、卫生保健、 自洁净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。

   ZnO、WO、Fe2O3、SnO2、Bi2O3 等金属氧化物都有着非常明显的光催 化作用。Wang Cun 等人研究了纳米ZnO/ SnO2 复合光催化剂，发 现当ZnO/ SnO2 按2:1 比率复合时，有很高的光催化效率。并深入研 究了纳米ZnO/ SnO2 复合光催化剂影响因素和ZnO/SnO2 的催化反 应机理。

  目前的TiO2光催化剂存在两个问题： ①量子效率低 ②只能吸收紫外光,太阳能利用率低 解决办法： 贵金属沉积 复合半导体 离子掺杂修饰 有机染料光敏化

  光催化剂（一般为半导体材料）在光(可见光或者紫外光)的照 射下，通过把光能转化为化学能，从而具有氧化还原能力， 使化合物（有机物、无机物）被降解的过程称为光催化。

  从光合作用这种最简单的光催化反应，总结下一个光催化反应发生的三个 基本条件：

   光催化剂------一般为半导体材料  光------------特定波长范围，非所有光都可以  反应物--------空气中的有机物或溶液中的有机污染物或水

  《BP世界能源统计2007》的数据表明，全球石油储量可供生产 40年，天然气和煤炭则分别可以供应65年和162年。

  全球每年排放SO2 2.9亿吨，NOx约为5千万吨，可 吸入粉尘→酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病……

   氧化还原法  热分解方法  高能球磨法:  工艺简单,但制得的粉体形状不规则,颗粒尺寸分布宽,均匀 性差。

   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能够最终靠改变气体 压力和加热温度来控制。,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，同时要解决粉 体的收集和存放问题.