光催化與靜電紡絲

1、 講解內容講解內容1.光催化2.靜電紡絲3.靜電紡絲與光催化技術的結合 光催化光催化光催化概述研究方向難題一一. .光催化概述光催化概述1.定義：定義：1.11.1光催化劑：光催化劑：是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學反應的物質。1.21.2光催化光催化：是利用存在的光能轉換成為化學反應所需的能量，來產生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的自由負離子。幾乎可分解所有對人體和環(huán)境有害的有機物質及部分無機物質，不造成資源浪費與附加污染形成。一一.光催化概述光催化概述2.機理機理：一一.光催化概述光催化概述2.2.機理：機理：半導體的能帶是不連續(xù)的,其充滿電子的低能價帶和空

2、的高能導帶,之間存在著一個禁帶,其價帶頂和導帶底的能量差稱為禁帶寬度或帶隙。當用光子能量等于或大于禁帶寬度的光照射半導體時,其價帶中的部分電子就會被激發(fā),從價帶越過禁帶躍遷到導帶,從而可以在導帶和價帶分別形成光生電子和光生空穴。這使得它們可遷移到光催化劑的表面并與吸附在那里的分子、有機物等發(fā)生能量和電荷交換,產生具有強氧化能力的物質,這些物質是直接參與化學反應的主要活性物質,也不排除光生電子和空穴直接與反應物作用的可能性。一一.光催化概述光催化概述半導體的導帶底代表了電子還原能力的極限,導帶底越高,導帶電子的還原能力越強,只有還原電勢在導帶底以下的物質才可能被還原；半導體的價帶頂代表空穴氧化能

3、力的極限,價帶頂越低,價帶空穴的氧化能力越強,只有氧化電勢在價帶頂以上的物質才能被氧化。一一.光催化概述光催化概述3.光催化的應用光催化的應用1.降解甚至礦化幾乎所有的有機污染物如有機磷化物、含鹵素化合物、表面活性劑、染料、油類等。2.還原金屬離子。3.光催化還常用于殺菌消毒。二二.研究方向研究方向1.1.摻雜、摻雜、2.2.光敏化光敏化3.3.復合半導體復合半導體4.4.改變形貌改變形貌5.5.新型催化劑研究新型催化劑研究3.3.催化劑載體的研究催化劑載體的研究TiO2不僅光照穩(wěn)定,耐酸堿性好,無毒,而且在紫外輻射下具有較高的光催化活性,是當前最有應用潛力的一種光催化劑.1.1 1.1 金屬

4、摻雜金屬摻雜金屬離子摻雜 將一定量的金屬離子引入到半導體晶格中,影響光生載流子的產生、遷移復合及其轉化過程,從而影響半導體的光催化活性。由于金屬離子的能級位于半導體的禁帶中,從而將半導體吸收光波長的范圍擴展到可見光區(qū)。1.1 1.1 金屬摻雜金屬摻雜摻雜后比表面積普遍增大，其中Mg-TiO2的比表面積最大，孔隙體積最大，Co-TiO2的比表面積最小，孔隙體積最小。但是其比表面積大于純的TiO2，原因可能是金屬的嵌入抑制了TiO2的聚集。1.1 1.1 金屬摻雜金屬摻雜摻雜后吸收波長均出現紅移，摻雜Mg的移動最不顯著1.2 1.2 金屬摻雜金屬摻雜峰值越高表示電子-空穴復合速率越快，圖中顯示摻雜

5、鎂的峰值最高，摻雜銀的峰值最低。1.1 1.1 金屬摻雜金屬摻雜 除了摻雜Co的，其余的對于苯和甲苯的去除效率都有提高，其中對甲苯去除效率高于苯1.2 1.2 非金屬摻雜非金屬摻雜摻雜N后出現紅移現象，紫外光下處理效率基本不變，在可見光下對污染物處理效率提高。2.2.光敏化光敏化光敏化光敏化指選取特殊的能夠吸收可見光的活性化合物,如有機染料、腐殖酸、多不飽和脂肪酸等,以物理或化學方法吸附于半導體光催化劑的表面,與寬禁帶半導體形成復合物。只要該活性化合物激發(fā)態(tài)的電勢比半導體導帶電勢更負,在可見光照射下,就能使該活性化合物激發(fā)態(tài)上的電子遷移到半導體的導帶,從而使半導體的吸收波長擴展至可見光范圍。常

6、用的光敏劑：常用的光敏劑：釘毗嚨類絡合物、欽薔染料、花菩染料、熒光素衍生物、葉氯酸等3.3.復合半導體復合半導體定義：定義：將兩種或兩種以上半導體以某種方式復合后,其光化學、光物理方面的性質都會發(fā)生很大的改變,其意義首先在于復合不同能帶結構的半導體,為利用窄禁帶的半導體敏化寬禁帶的半導體提供了可能,這對以寬禁帶半導體作為主催化劑的光催化反應具有重要的意義。其次,對二元復合半導體,兩種半導體之間的能級差產生的內建電場能使光生載流子由一種半導體注入到另一種半導體,使光生電子一空穴徹底分離,從而提高光催化劑的活性。3.3.復合半導體復合半導體 3. 3.復合半導體復合半導體（TiO2摻雜摻雜CdS）

7、摻雜后降低了電子空穴復合率增加對可見光的利用率。3.3.復合半導體復合半導體（TiOTiO2 2摻雜摻雜CdSCdS）4.4.改變形貌改變形貌（1）0維納米顆粒（2）一維納米管（3）二維納米片（4）三維花狀結構和球形結構減少光生電子和空穴的復合，提高其量子效率。5.5.新型催化劑研究新型催化劑研究新型的光催化材料:例如AgAg3 3POPO4 4，Ag/AgClAg/AgCl等含銀類化合物材料，這類光催化劑在光催化降解污染物時具有極好的光催化活性，比我們已經知道較好二氧化鈦光催化活性高一到兩個數量級，這些新型光催化材料在環(huán)境凈化方面具有巨大應用潛力。此外，其它一些新型光催化材料，主要包括BiB

8、i2 2O O3 3、BiVOBiVO4 4鉍系復合物材料鉍系復合物材料，鎢錳礦型復合氧化物，g-C3N4g-C3N4等無金屬半導體材料和鈣鈦礦型復合氧化物。紫外光365nm(1)NiO作為載體NiO的加入有助于提高催化效率6.6.載體制備載體制備NiO與TiO2易形成P-N結，抑制電子-空穴的復合。TiO2均勻分布在NiO載體表面。TG-0.05TG-0.05的石墨烯光催化降解空氣中丙酮時的光催化活性最高的石墨烯光催化降解空氣中丙酮時的光催化活性最高（2）.石墨烯作載體石墨烯是一種單層石墨，高導電率，優(yōu)異的電子遷移率和非常大的比表面積，成本低廉。6.6.載體制備載體制備光催化中存在的難題光催

9、化中存在的難題1.制備高效率的催化劑，進一步完善催化劑的改性技術，提高催化劑的光催化活性。2.制備合適的催化劑載體，便于回收利用。3.研制新型光催化劑。靜電紡絲靜電紡絲靜電紡絲概述研究方向難題 靜電紡絲靜電紡絲一一. .靜電紡絲概述：靜電紡絲概述：1.1.電紡絲電紡絲：又稱為靜電紡絲，是一種利用聚合物溶液或者熔體（有機，無機，復合）在強電場作用下形成單根納米和微米級別超細纖維的工藝。2.2.電紡絲工作原理：電紡絲工作原理：靜電紡絲靜電紡絲電紡絲技術的基本原理：電紡絲技術的基本原理： 帶電聚合物溶液或熔融物在高壓靜電場中受到電場力的作用被拉伸，當電場力大于聚合物液滴的表面張力時，聚合物將形成噴射

10、細流，在噴射過程中溶劑揮發(fā)或熔融的聚合物由于溫度降低而凝固，在接收網上能得到無紡布狀的纖維氈。靜電紡絲靜電紡絲3.3.靜電紡絲特點靜電紡絲特點（1）直徑范圍一般在3nm-5m，比常規(guī)方法制得的纖維直徑小幾個數量級（2）孔隙率高、比表面積大、纖維精細程度與均一性高、長徑比大二二.目前纖維的研究方向：目前纖維的研究方向：1.單根纖維形貌的研究 單根電紡絲纖維的尺寸和立體形貌受到很多因素的 影響，主要包括:(a) 電紡絲溶液的內在因素：粘度、彈性、電導率、表面張力。(b) 電紡絲技術的操作參數：靜電電壓、針頭孔徑大小及其與收集器之間的距離。(c) 實驗環(huán)境：濕度、溫度等。2.纖維組裝微觀形貌的研究

11、3.纖維聚集體宏觀形貌的研究靜電紡纖維的結構模式靜電紡纖維的結構模式 目前，大部分靜電紡絲研究采目前，大部分靜電紡絲研究采用平板收集器可以收集到無規(guī)排用平板收集器可以收集到無規(guī)排列纖維膜。列纖維膜。 近年來，通過對電紡絲實驗裝置的改進近年來，通過對電紡絲實驗裝置的改進，可以制備出大面積、高厚度、雜亂、定，可以制備出大面積、高厚度、雜亂、定向、中空、芯殼、大孔、圖案化和三維結向、中空、芯殼、大孔、圖案化和三維結構等纖維支架。構等纖維支架。1.定向排列電紡纖維定向排列電紡纖維 在常規(guī)收集器上鑿開一在常規(guī)收集器上鑿開一個槽，通過一個附加電場個槽，通過一個附加電場作用，纖維平行取向地橫作用，纖維平行取

12、向地橫跨槽兩邊，這種做法還可跨槽兩邊，這種做法還可以很方便地將制得的納米以很方便地將制得的納米纖維轉移到其他基底上纖維轉移到其他基底上提高纖維膜提高纖維膜力學力學性能性能2.芯殼結構電紡纖維芯殼結構電紡纖維 用用同軸毛細管同軸毛細管替代普通的噴替代普通的噴嘴可以生產芯殼結構的納米嘴可以生產芯殼結構的納米纖維。纖維。1.外層溶液與內層溶液外層溶液與內層溶液不能互溶不能互溶2.對兩種溶液的對兩種溶液的粘度粘度也有也有一定的要求一定的要求3.中空結構電紡纖維中空結構電紡纖維用用同軸毛細管同軸毛細管可以直接制備空心納可以直接制備空心納米纖維，也可通過除去芯殼纖維的米纖維，也可通過除去芯殼纖維的芯層得到

13、中空纖維芯層得到中空纖維4.高孔隙率電紡纖維膜高孔隙率電紡纖維膜原理：電紡纖維有優(yōu)先沉積在導電模板上原理：電紡纖維有優(yōu)先沉積在導電模板上孔隙率可孔隙率可以通過滾以通過滾筒的轉速筒的轉速調節(jié)調節(jié)高孔隙率纖維膜表面積顯著增大高孔隙率纖維膜表面積顯著增大5.圖案化結構電紡纖維膜圖案化結構電紡纖維膜原理：電紡纖維原理：電紡纖維優(yōu)先沉積在導電優(yōu)先沉積在導電模板上。模板上。纖維可以在纖維可以在網格線上網格線上以及以及網格的對角網格的對角線之間定向排列線之間定向排列。在沉積位置的選擇。在沉積位置的選擇上，纖維更加傾向于沉積到網格模板上，纖維更加傾向于沉積到網格模板中的中的凸起凸起位置。位置。方法簡單方法簡單成本較低成本較低應用前景大應用前景大靜電紡絲與光催化技術的結合靜電紡絲與光催化技術的結合 減小顆粒尺寸以達到更大比表面積，提供更多的活性點從而提高催化活性。1.TiO2與Cu添加Cu后纖維直徑變粗，纖維表面變粗糙。TiO2CuAC和TiO2CuNPS和TiO21.TiO2與Cu光致發(fā)光譜:摻雜氧化銅的電子空穴復合率低1.TiO2與Cu可見光下?lián)诫s銅的物質對RB，RO染料