光催化學(xué)科的前沿與發(fā)展趨勢(shì)

1、光催化學(xué)科的前沿與發(fā)展趨勢(shì)第1頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化學(xué)科是催化化學(xué)、光電化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域。 第2頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)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(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一環(huán)境和能源是二十一世紀(jì)人類面臨和亟待解決的重大問(wèn)題。光催化以其室溫深度反應(yīng)和可直接利用太陽(yáng)光作為光源來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)等獨(dú)特性能而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)和潔凈能源生產(chǎn)技術(shù)。 第4

2、頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一導(dǎo)帶價(jià)帶h= Eg還原氧化A_AD+D光催化原理h第5頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光解水原理導(dǎo)帶價(jià)帶光吸收激發(fā)電子生成空穴0.0eV1.23eVNHE(pH=0)H+/H2O2/H2Oh第6頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化技術(shù)在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用 前景和重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益光催化技術(shù)空氣、水凈化國(guó) 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(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化受到科學(xué)界、政府部門(mén)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(kāi)展光催化基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)及工程化研究，使得光催化成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外最活躍的研究領(lǐng)域之一。 第8頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一一、光催化領(lǐng)域的重大科技問(wèn)題與學(xué)科發(fā)展趨勢(shì) 1、重大科技問(wèn)題 目前以二氧化鈦為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體光催化存在一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題，使其廣泛的工業(yè)應(yīng)用受到極大制約，而這些問(wèn)題的解決則有賴于深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。第9頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一最突出的問(wèn)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(shí)現(xiàn)光催化分解水制氫的產(chǎn)業(yè)化。（2）太陽(yáng)能利用率低 由于TiO2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(Eg=3.2eV

4、)決定了其只能 吸收利用紫外光或太陽(yáng)光中的紫外線部分(太陽(yáng)光中紫外輻 射僅占5 %)。（3）多相光催化反應(yīng)機(jī)理尚不十分明確 以半導(dǎo)體能帶理論為基礎(chǔ)的光催化理論難以解釋許多 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使得改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新型高效光催化劑的研究工作 盲目性大。（4）光催化應(yīng)用中的技術(shù)難題 如在液相反應(yīng)體系中光催化劑的負(fù)載技術(shù)和分離回收 技術(shù)，在氣相反應(yīng)體系中光催化劑的成膜技術(shù)及光催化劑 活性穩(wěn)定性問(wèn)題。第10頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 上述關(guān)鍵問(wèn)題也是目前國(guó)內(nèi)外光催化領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，圍繞這些問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步的研究不僅可望在光催化基礎(chǔ)理論方面獲得較大的突破，而且有利于促進(jìn)光催化技術(shù)真正能在上述

5、眾多領(lǐng)域得到大規(guī)模廣泛工業(yè)應(yīng)用。第11頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一2、學(xué)科發(fā)展方向 從理論和應(yīng)用上解決可見(jiàn)光光催化和提高光催化過(guò)程效率這兩個(gè)重大難題，應(yīng)是光催化學(xué)科的發(fā)展方向。 第12頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一前沿課題和研究重點(diǎn)：（1）可見(jiàn)光誘導(dǎo)并具有高量子效率的新型光催化劑研制 （能帶調(diào)變，非TiO2光催化劑）； （2）多相光催化反應(yīng)機(jī)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(shí)間分辨技 術(shù)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(jī)理、性能）；（4）光催化在環(huán)境污染治理和光解水制氫等領(lǐng)

6、域的應(yīng)用 研究。第13頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一二、光催化領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展 近年來(lái)，光催化的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究發(fā)展非常迅速，特別是在可見(jiàn)光誘導(dǎo)的新型光催化劑的研究、提高光催化過(guò)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(jìn)展。 第14頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一1、可見(jiàn)光誘導(dǎo)的光催化劑研究方面取得 重大突破 采用固相合成、過(guò)渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機(jī)絡(luò)合物、表面敏化、半導(dǎo)體復(fù)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(jiàn)光光催化材料，這些材料在可見(jiàn)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(jī)和無(wú)機(jī)污染物。 第15頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 Zhigang Zou等采用高溫固相合成法，制備出可見(jiàn)光活性的In1-xNixTaO4催化劑并應(yīng)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(jiàn)光活性的光解水催化劑。（Nature，2001) Michikazu Hara等通過(guò)氮化Ta2O5合成出窄禁帶寬度的半導(dǎo)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光條件下對(duì)亞甲基藍(lán)和氣態(tài)乙醛的光催化活性以及負(fù)載型TiO2-xNx薄膜的親水性都高于TiO2。（Science，2001）第16頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一趙進(jìn)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(jī)絡(luò)合物（CDH），該絡(luò)合物在可見(jiàn)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(jī)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(jiàn)光活性的光解水ZnIn2S4新型催化劑8。第17頁(yè)，共

9、42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一硫化物ZnIn2S4上可見(jiàn)光催化分解水制氫Zhibin Lei and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142. 第18頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一2、為解決多相光催化過(guò)程效率偏低的問(wèn)題，近年來(lái)從提高催化劑自身的量子效率和改進(jìn)反應(yīng)過(guò)程條件兩個(gè)方面開(kāi)展了大量的研究工作，取得了重要進(jìn)展。采用離子摻雜10-12、半導(dǎo)體復(fù)合13-14、納米晶粒制備15-16、超強(qiáng)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(fù)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(lái)通過(guò)外場(chǎng)（電場(chǎng)、微波場(chǎng)20-21、磁場(chǎng)22、超聲波23、熱場(chǎng)24等）與光催化耦合來(lái)提高多相光催化過(guò)程效率，做了許多有益的探索。 第19頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一3、光催化材料超親水性的發(fā)現(xiàn)25，開(kāi)辟了光催化研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域（Nature,1997) 利用光催化膜的超親水性和強(qiáng)氧化性等特性，研制開(kāi)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(kāi)始在建筑材料領(lǐng)域應(yīng)用。與之相應(yīng)的光催化膜功能材料的基礎(chǔ)研究也有大量的文獻(xiàn)報(bào)道26-28。第20頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一三、我國(guó)

11、光催化學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀與 發(fā)展方向1、發(fā)展現(xiàn)狀 九十年代中期以來(lái)，國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó) 家計(jì)委和國(guó)家科技部等部門(mén)加大了對(duì)我國(guó)光催化基 礎(chǔ)和應(yīng)用研究的支持力度，組織實(shí)施了包括國(guó)家自 然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目在 內(nèi)的一批科研項(xiàng)目，使得近年來(lái)我國(guó)光催化基礎(chǔ)研 究、應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展十分迅速。第21頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一研究隊(duì)伍急劇擴(kuò)大，多學(xué)科交叉特色顯著 最近幾年，由于國(guó)際上光催化分解水研究的復(fù)蘇，特別是環(huán)境光催化的崛起，我國(guó)許多高等院校、中科院研究所、部委及軍隊(duì)研究院所都開(kāi)展了光催化研究工作。催化化學(xué)、光電化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等

12、諸多學(xué)科的科研人員都紛紛加入到光催化研究隊(duì)伍。第22頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化研究主要地區(qū)分布第23頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一全國(guó)光催化會(huì)議論文和人數(shù)變化情況年 度人數(shù)或論文數(shù)第24頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一研究?jī)?nèi)容與國(guó)際同步，研究水平不斷提高- 從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究涵蓋了光催化領(lǐng)域的各個(gè) 方面。- 一批在日本、美國(guó)、加拿大、法國(guó)等國(guó)家從事光 催化研究的留學(xué)人員的陸續(xù)回國(guó)。- 取得了一批重要的基礎(chǔ)研究成果，在國(guó)內(nèi)外重要 學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了大量高水平論文，論文數(shù)量估 計(jì)每年以30%的速度增長(zhǎng)，據(jù)不完全統(tǒng)

13、計(jì)2002年 達(dá)到百篇以上。- 經(jīng)過(guò)近七、八年的快速發(fā)展，我國(guó)光催化領(lǐng)域的 整體研究力量、研究條件和研究水平已基本上接 近國(guó)際水平，與日本、美國(guó)和歐洲等國(guó)家的差距 已經(jīng)明顯縮小。第25頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用研究成果，為我國(guó)光催化高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的形成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。第26頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一固體超強(qiáng)酸高效光催化劑的產(chǎn)業(yè)化第27頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 固體超強(qiáng)酸光催化劑生產(chǎn)車間第28頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星

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

15、經(jīng)濟(jì)效 益，國(guó)家計(jì)委授予本項(xiàng)目第36頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一我國(guó)光催化研究存在的主要問(wèn)題：（1）基礎(chǔ)研究：系統(tǒng)的、有重大影響的基礎(chǔ)研究論文 較少。（2）應(yīng)用研究：有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用研究成果較 少、工程化研究相對(duì)滯后。（3）研究隊(duì)伍：有物理化學(xué)背景的研究人員少；開(kāi)展 光催化分解水的研究隊(duì)伍小，發(fā)展后 勁不足。（4）研究經(jīng)費(fèi)：基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)投入少，特別是光催化 分解水方面的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)極少。 第37頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一從上面的分析可以看出，我國(guó)的光催化研究整體上已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，已成為國(guó)際光催化領(lǐng)域的一支重要研究力量，加上我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)、能源開(kāi)發(fā)的巨大需求和市場(chǎng)背景，進(jìn)一步加大對(duì)光催化基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的支持力度，促進(jìn)光催化學(xué)科的發(fā)展是十分必要的。第38頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一2、發(fā)展方向 根據(jù)目前我國(guó)光催化研究現(xiàn)狀和國(guó)際光催化學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)，建議國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)支持如下方向的基礎(chǔ)研究：深入的多相光催化反應(yīng)機(jī)理研究；基于分子水平的光催化理論體系的探討；可見(jiàn)光誘導(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。 第39頁(yè)，共42頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一謝謝福州大學(xué)光催化研究所第40頁(yè)，