光催化學科的前沿與發(fā)展趨勢

1、光催化學科的前沿與發(fā)展趨勢第1頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一光催化學科是催化化學、光電化學、半導體物理、材料科學和環(huán)境科學等多學科交叉的新興研究領域。 第2頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一 光催化分解水制氫 H2O H2 + O2 環(huán)境光催化 C6H6 + 7 O2 6 CO2 + 3H2Ohvhv催化劑催化劑第3頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一環(huán)境和能源是二十一世紀人類面臨和亟待解決的重大問題。光催化以其室溫深度反應和可直接利用太陽光作為光源來驅動反應等獨特性能而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術和潔凈能源生產技術。 第4

2、頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一導帶價帶h= Eg還原氧化A_AD+D光催化原理h第5頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一光解水原理導帶價帶光吸收激發(fā)電子生成空穴0.0eV1.23eVNHE(pH=0)H+/H2O2/H2Oh第6頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一光催化技術在眾多領域具有廣闊的應用 前景和重大社會經濟效益光催化技術空氣、水凈化國 防 軍 事紡織工業(yè)汽車工業(yè)家用電器建筑材料 醫(yī)療衛(wèi)生潔凈能源第7頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一光催化受到科學界、政府部門及企業(yè)界的高度重視，投入了大量的資金和研

3、究力量開展光催化基礎理論、應用技術開發(fā)及工程化研究，使得光催化成為近年來國內外最活躍的研究領域之一。 第8頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一一、光催化領域的重大科技問題與學科發(fā)展趨勢 1、重大科技問題 目前以二氧化鈦為基礎的半導體光催化存在一些關鍵科學技術難題，使其廣泛的工業(yè)應用受到極大制約，而這些問題的解決則有賴于深入系統(tǒng)的基礎研究。第9頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一最突出的問題在于：（1）量子效率低（4%） 難以處理量大且濃度高的廢氣和廢水，難以實現光催化分解水制氫的產業(yè)化。（2）太陽能利用率低 由于TiO2半導體的能帶結構(Eg=3.2eV

4、)決定了其只能 吸收利用紫外光或太陽光中的紫外線部分(太陽光中紫外輻 射僅占5 %)。（3）多相光催化反應機理尚不十分明確 以半導體能帶理論為基礎的光催化理論難以解釋許多 實驗現象，使得改進和開發(fā)新型高效光催化劑的研究工作 盲目性大。（4）光催化應用中的技術難題 如在液相反應體系中光催化劑的負載技術和分離回收 技術，在氣相反應體系中光催化劑的成膜技術及光催化劑 活性穩(wěn)定性問題。第10頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一 上述關鍵問題也是目前國內外光催化領域的研究焦點，圍繞這些問題開展進一步的研究不僅可望在光催化基礎理論方面獲得較大的突破，而且有利于促進光催化技術真正能在上述

5、眾多領域得到大規(guī)模廣泛工業(yè)應用。第11頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一2、學科發(fā)展方向 從理論和應用上解決可見光光催化和提高光催化過程效率這兩個重大難題，應是光催化學科的發(fā)展方向。 第12頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一前沿課題和研究重點：（1）可見光誘導并具有高量子效率的新型光催化劑研制 （能帶調變，非TiO2光催化劑）； （2）多相光催化反應機理研究及形成基于分子水平的光 催化理論體系的探討（原位表征和超快 時間分辨技 術研究光生載流子的遷移傳輸規(guī)律）；（3）光催化膜功能材料的研究（成膜機理、性能）；（4）光催化在環(huán)境污染治理和光解水制氫等領

6、域的應用 研究。第13頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一二、光催化領域的最新研究進展 近年來，光催化的基礎與應用研究發(fā)展非常迅速，特別是在可見光誘導的新型光催化劑的研究、提高光催化過程效率的研究和光催化功能材料的研究等方面都取得了重要進展。 第14頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一1、可見光誘導的光催化劑研究方面取得 重大突破 采用固相合成、過渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機絡合物、表面敏化、半導體復合等多種方法，制備出了一系列新型非二氧化鈦系或二氧化鈦基可見光光催化材料，這些材料在可見光的照射下，能將H2O分解為H2和O2，或能有效降解空氣、

7、水中的有機和無機污染物。 第15頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一 Zhigang Zou等采用高溫固相合成法，制備出可見光活性的In1-xNixTaO4催化劑并應用于光解水制氫1、隨后又研制出InVO4 2、NiM2O6 (M=Nb,Ta) 3等系列可見光活性的光解水催化劑。（Nature，2001) Michikazu Hara等通過氮化Ta2O5合成出窄禁帶寬度的半導體TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收帶邊分別拓展到500nm和600nm左右，從而具備可見光光催化性能4。 Masato Takeuchi等5采用離子注入法制備Cr摻雜的TiO2

8、，光吸收帶發(fā)生紅移，可以在可見光下把NO分解為N2和O2。R. Asahi等6采用N置換式摻雜得到的TiO2-xNx在可見光條件下對亞甲基藍和氣態(tài)乙醛的光催化活性以及負載型TiO2-xNx薄膜的親水性都高于TiO2。（Science，2001）第16頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一趙進才等人7用-環(huán)糊精和有生物活性的小分子血晶素合成了一種金屬-有機絡合物（CDH），該絡合物在可見光下可以活化H2O2，把水中的若丹明B（RhB）和2，4-二氯苯酚（DCP）等有機污染物氧化和礦化。最近，李燦等人采用水熱合成制備出具有可見光活性的光解水ZnIn2S4新型催化劑8。第17頁，共

9、42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一硫化物ZnIn2S4上可見光催化分解水制氫Zhibin Lei and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142. 第18頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一2、為解決多相光催化過程效率偏低的問題，近年來從提高催化劑自身的量子效率和改進反應過程條件兩個方面開展了大量的研究工作，取得了重要進展。采用離子摻雜10-12、半導體復合13-14、納米晶粒制備15-16、超強酸化17-19等方法，提高光生載流子的分離效率和抑制電子-空穴的重新復合，在一定程度上改善了光催化劑的量子效率。值得注意的是

10、，近年來通過外場（電場、微波場20-21、磁場22、超聲波23、熱場24等）與光催化耦合來提高多相光催化過程效率，做了許多有益的探索。 第19頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一3、光催化材料超親水性的發(fā)現25，開辟了光催化研究和應用的新領域（Nature,1997) 利用光催化膜的超親水性和強氧化性等特性，研制開發(fā)出一系列光催化功能材料，如光催化自清潔抗霧玻璃、光催化自清潔抗菌陶瓷和光催化環(huán)保涂料等。這些功能材料已開始在建筑材料領域應用。與之相應的光催化膜功能材料的基礎研究也有大量的文獻報道26-28。第20頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一三、我國

11、光催化學科的發(fā)展現狀與 發(fā)展方向1、發(fā)展現狀 九十年代中期以來，國家自然科學基金委、國 家計委和國家科技部等部門加大了對我國光催化基 礎和應用研究的支持力度，組織實施了包括國家自 然科學基金重點項目和國家高技術產業(yè)發(fā)展項目在 內的一批科研項目，使得近年來我國光催化基礎研 究、應用研究及產業(yè)化發(fā)展十分迅速。第21頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一研究隊伍急劇擴大，多學科交叉特色顯著 最近幾年，由于國際上光催化分解水研究的復蘇，特別是環(huán)境光催化的崛起，我國許多高等院校、中科院研究所、部委及軍隊研究院所都開展了光催化研究工作。催化化學、光電化學、半導體物理、材料科學和環(huán)境科學等

12、諸多學科的科研人員都紛紛加入到光催化研究隊伍。第22頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一光催化研究主要地區(qū)分布第23頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一全國光催化會議論文和人數變化情況年 度人數或論文數第24頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一研究內容與國際同步，研究水平不斷提高- 從基礎研究到應用研究涵蓋了光催化領域的各個 方面。- 一批在日本、美國、加拿大、法國等國家從事光 催化研究的留學人員的陸續(xù)回國。- 取得了一批重要的基礎研究成果，在國內外重要 學術刊物上發(fā)表了大量高水平論文，論文數量估 計每年以30%的速度增長，據不完全統(tǒng)

13、計2002年 達到百篇以上。- 經過近七、八年的快速發(fā)展，我國光催化領域的 整體研究力量、研究條件和研究水平已基本上接 近國際水平，與日本、美國和歐洲等國家的差距 已經明顯縮小。第25頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一取得了一批具有自主知識產權的應用研究成果，為我國光催化高新技術產業(yè)群的形成奠定了堅實的基礎，并帶動了相關產業(yè)的技術進步。第26頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一固體超強酸高效光催化劑的產業(yè)化第27頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一 固體超強酸光催化劑生產車間第28頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星

14、期一生產的固體超強酸光催化劑及系列產品第29頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一光催化空氣凈化器的產業(yè)化第30頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一第31頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一光催化空氣凈化器系列產品第32頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一 KJ680-LGS第33頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一光催化自清潔抗菌瓷磚的產業(yè)化第34頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一第35頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一 鑒于本項目的開創(chuàng)性和顯著的社會

15、經濟效 益，國家計委授予本項目第36頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一我國光催化研究存在的主要問題：（1）基礎研究：系統(tǒng)的、有重大影響的基礎研究論文 較少。（2）應用研究：有自主知識產權的應用研究成果較 少、工程化研究相對滯后。（3）研究隊伍：有物理化學背景的研究人員少；開展 光催化分解水的研究隊伍小，發(fā)展后 勁不足。（4）研究經費：基礎研究經費投入少，特別是光催化 分解水方面的基礎研究經費極少。 第37頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一從上面的分析可以看出，我國的光催化研究整體上已經進入快速發(fā)展期，已成為國際光催化領域的一支重要研究力量，加上我國對環(huán)境保護、能源開發(fā)的巨大需求和市場背景，進一步加大對光催化基礎和應用研究的支持力度，促進光催化學科的發(fā)展是十分必要的。第38頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一2、發(fā)展方向 根據目前我國光催化研究現狀和國際光催化學科的發(fā)展趨勢，建議國家自然科學基金委重點支持如下方向的基礎研究：深入的多相光催化反應機理研究；基于分子水平的光催化理論體系的探討；可見光誘導的新型高效光催化劑的研究；光催化在環(huán)境污染治理、光解水制氫和光催化膜功能材料等領域的應用基礎研究。 第39頁，共42頁，2022年，5月20日，3點34分，星期一謝謝福州大學光催化研究所第40頁，