光催化技術(shù)精品課件

1、光催化技術(shù)第1頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一什么是光催化?概括說來，就是光觸媒在外界可見光的作用下發(fā)生催化作用。光催化一般是多種相態(tài)之間的催化反應(yīng)。光觸媒在光照條件（可以是不同波長的光照）下所起到催化作用的化學(xué)反應(yīng)，統(tǒng)稱為光反應(yīng)。第2頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光合作用也可以看作光催化第3頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一第4頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化氧化反應(yīng)機(jī)理 光催化氧化反應(yīng)以半導(dǎo)體為催化劑，以光為能量，將有機(jī)物降解為CO2和水。反應(yīng)機(jī)理如下：下圖是半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可

2、見，半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)與金屬不同的是價(jià)帶(VB)和導(dǎo)帶(CB)之間存在一個(gè)禁帶。用作光催化劑的半導(dǎo)體一般具有較大的禁帶寬度，有時(shí)稱為寬帶隙半導(dǎo)體。 當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體吸收閾值的光照射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷，即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生電子和空穴 第5頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一半導(dǎo)體光催化機(jī)理示意圖第6頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 具體來說（見下圖），在光照下，如果光子的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，其價(jià)帶上的電子（e-）就會被激發(fā)到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴（h+）。激發(fā)態(tài)的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴又能重新合并，并產(chǎn)生熱能或其他

3、形式散發(fā)掉。當(dāng)催化劑存在合適的俘獲劑、表面缺陷或者其他因素時(shí)，電子和空穴的復(fù)合得到抑制，就會在催化劑表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。價(jià)帶空穴是良好的氧化劑，導(dǎo)帶電子是良好的還原劑，在半導(dǎo)體光催化反應(yīng)中，一般與表面吸附的H2O，O2反應(yīng)生成氧化性很活波的羥基自由基（OH）和超氧離子自由基（O2-）。能夠把各種有機(jī)物氧化直接氧化成CO2、H2O等無機(jī)小分子，而且因?yàn)樗麄兊难趸芰?qiáng)，使一般的氧化反應(yīng)一般不停留在中間步驟，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物。 第7頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一其中，光催化分解反應(yīng)機(jī)理如下：第8頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化的技術(shù)特征 （1

4、）低溫深度反應(yīng)：光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機(jī)污染物完全氧化成無毒無害的物質(zhì)。而傳統(tǒng)的高溫焚燒技術(shù)則需要在極高的溫度下才可將污染物摧毀，即使用常規(guī)的催化氧化方法亦需要幾百度的高溫。（2）凈化徹底：它直接將空氣中的有機(jī)污染物，完全氧化成無毒無害的物質(zhì)，不留任何二次污染，目前廣泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是將污染源轉(zhuǎn)移。（3）綠色能源：光催化可利用太陽光作為能源來活化光催化劑，驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)，而且光催化劑在反應(yīng)過程中并不消耗。從能源角度而言，這一特征使光催化技術(shù)更具魅力。第9頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一（4）氧化性強(qiáng)：大量研究表明，半導(dǎo)體光催化具有

5、氧化性強(qiáng)的特點(diǎn)，對臭氧難以氧化的某些有機(jī)物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以對難以降解的有機(jī)物具有特別意義，光催化的有效氧化劑是羥基自由基（HO），HO的氧化性高于常見的臭氧、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸等。（5）廣譜性：光催化對從烴到羧酸的種類眾多有機(jī)物都有效，美國環(huán)保署公布的九大類114種污染物均被證實(shí)可通過光催化得到治理，即使對原子有機(jī)物如鹵代烴、染料、含氮有機(jī)物、有機(jī)磷殺蟲劑也有很好的去除效果，一般經(jīng)過持續(xù)反應(yīng)可達(dá)到完全凈化。（6）壽命長：理論上，催化劑的壽命是無限長的。 第10頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光 觸 媒 光觸媒PHOTOCATA

6、LYSIS 是 光 Photo=Light + 觸媒(催化劑)catalyst 的合成詞。光觸媒是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，光觸媒是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來產(chǎn)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 OH - 及 O 2 - 自由負(fù)離子。幾乎可分解所有對人體和環(huán)境有害的有機(jī)物質(zhì)及部分無機(jī)物質(zhì)，不僅能加速反應(yīng)，亦能運(yùn)用自然界的定侓，不造成資源浪費(fèi)與附加污染形成。第11頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 光觸媒于1967年被當(dāng)時(shí)還是東京大學(xué)研究生的藤島昭教授發(fā)現(xiàn)。 在一次試驗(yàn)中對放入水中的氧化鈦單結(jié)晶進(jìn)行了光

7、線照射，結(jié)果 發(fā)現(xiàn)水被分解成了氧和氫。這一效果作為 “ 本多 藤島效果 ” （Honda-Fujishima Effect）而聞名于世，該名稱組合了藤島教授 和當(dāng)時(shí)他的指導(dǎo)教師-東京工藝大學(xué)校長本多健一的名字。 由于是借助光的力量促進(jìn)氧化分解反應(yīng)，因此后來將這一現(xiàn)象中的氧化鈦稱作光觸媒。 這種現(xiàn)象相當(dāng)于將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能。第12頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一幾種常用的光觸媒TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等納米光觸媒：CdS,Fe2O3,TiO2,ZnO等TiO2的優(yōu)點(diǎn)： 催化活性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低、無毒因此被廣泛應(yīng)用第13

8、頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化網(wǎng) 利用“電化學(xué)組裝-陽極氧化聯(lián)用技術(shù)”，在金屬載體上制備出高結(jié)合強(qiáng)度，高反應(yīng)效率的納米TiO2磁性膜光催化劑。用來處理空氣中的甲醛、苯、氨等有害氣體 以及細(xì)菌等有害物質(zhì)的深層凈化技術(shù)，也可以廣泛應(yīng)用于受有機(jī)物污染的水體凈化。 第14頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一TiO2光催化膜的表面形貌由圖看出，TiO2膜是由許多TiO2微小顆粒構(gòu)成的呈交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔-微晶立體膜。膜的真實(shí)比表面很大，對光的吸收十分有利。第15頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域第16頁，共34頁

9、，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一第17頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化循環(huán)水處理系統(tǒng)第18頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一萬利達(dá)車用空氣凈化器KJ-100 第19頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一納米光催化空氣消毒反應(yīng)器納米光催化空氣消毒裝置加載特點(diǎn)： 1. 高度消毒 2. 高效清楚化學(xué)污染。 3. 獨(dú)特中央空調(diào)加載方式。 4. 消毒材料無需更換。 5. 為使用單位節(jié)約巨額能源消耗經(jīng)費(fèi)。 6. 進(jìn)行空氣消毒時(shí)，可以人機(jī)同在。在消毒過程中，存在兩個(gè)事實(shí)：第一， 該消毒過程為物理消毒，完全在反應(yīng)區(qū)內(nèi)完成，空氣經(jīng)

10、消毒離開，不帶有任何對空氣造成其他再污染的物質(zhì)，屬于 “自靜”形式消毒；第二， 該過程中，納米TiO2沒有任何消耗，所以，不需要對消毒材料進(jìn)行更換。 第20頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光催化的研究1972年 日本Fujishima和 Honda在Nature上報(bào)道在光輻射的TiO2 半導(dǎo)體電極和金屬電極組成的電池中，可持續(xù)發(fā)生水 的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生H2。1976年 J.H.Cary 發(fā)現(xiàn)TiO2在光照條件下可非選擇性氧化(降 解)各類有機(jī)物，并使之徹底礦化，生成CO2和H2O。80年代中期 我國學(xué)者開展半導(dǎo)體光催化的研究 在環(huán)保方面得到應(yīng)用烴類和多環(huán)芳烴、鹵代芳

11、烴、染料、表面活性劑、農(nóng)藥、油類、氰化物等第21頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一福建省光催化技術(shù)工程研究中心 是依托福州大學(xué)光催化研究所，跨物化、無機(jī)、材料、電子和環(huán)保等學(xué)科組建的開放式技術(shù)工程研究中心。中心集基礎(chǔ)創(chuàng)新研究、技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)、工程化研究、科技成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)化實(shí)施和人才培養(yǎng)于一體。中心位于建筑面積達(dá)28000平方米的福州大學(xué)內(nèi)，擁有完善的研究設(shè)施和產(chǎn)業(yè)化中試基地，其實(shí)驗(yàn)室及附屬的光催化產(chǎn)品中試車間擁有價(jià)值近1700萬元的科研儀器和設(shè)備。近年來，在光催化基礎(chǔ)理論、應(yīng)用研究、產(chǎn)業(yè)化實(shí)施和人才培養(yǎng)等方面，取得了豐碩成果，是我國目前光催化領(lǐng)域中規(guī)模最大、科研實(shí)驗(yàn)條件最

12、好、在國內(nèi)外光催化領(lǐng)域具有重要影響的研究機(jī)構(gòu)。第22頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一可見光光催化降解有毒有機(jī)污染物研究獲重要進(jìn)展在國家自然科學(xué)基金委，科技部及中科院的支持下，化學(xué)所光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙進(jìn)才研究員課題組與有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)浿緞傃芯繂T合作，在可見光光催化降解有毒有機(jī)污染物方面取得重要進(jìn)展。研究成果發(fā)表在最近一期的J.Am.Chem.Soc.(2004，126，4782)上。第23頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 有毒難降解有機(jī)污染物毒性大，在自然界中存在時(shí)間長，用現(xiàn)有環(huán)境技術(shù)很難處理。利用TiO2光催化降解有毒有機(jī)污染物是目前國際

13、上十分關(guān)注的研究領(lǐng)域，但TiO2只能吸收波長小于387nm的紫外光，在可見光照射下沒有光催化活性。因太陽光中只有不足4%的光能為紫外光，而人造紫外光源又有耗電大，設(shè)備昂貴，穩(wěn)定性差等缺陷，因此研制新的光催化劑使得它能夠吸收太陽光中的可見光，利用空氣中的氧作為氧化劑，有效地降解有毒有機(jī)污染物成為光催化領(lǐng)域關(guān)鍵的科學(xué)難題。第24頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 該研究組成功地利用簡單的溶膠-凝膠(Sol-Gel)方法研制出新型可見光光催化劑Ni2O3/TiO2-xBx。用非金屬元素B置換TiO2晶格中的部分氧，可以有效地將TiO2的吸收光譜擴(kuò)展到可見光區(qū)域，同時(shí)用過渡金屬氧

14、化物Ni2O3對TiO2表面改性，可以極大地提高可見光光催化活性。非金屬元素B或Ni2O3單一組分改性的光催化劑都沒有可見光光催化活性，而二元協(xié)同改性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展光催化劑吸收波長到可見光區(qū)域和抑制空穴/電子對復(fù)合的雙重目的。用該光催化劑在可見光(波長大于420nm)照射下，以空氣中氧分子為氧化劑，可將有毒有機(jī)污染物2,4,6-三氯苯酚，2,4-二氯苯酚等有效地降解為二氧化碳、水和氯離子。第25頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 他們還利用量化計(jì)算對光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地符合。電子自旋共振(ESR)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了可見光光催化過程中高反

15、應(yīng)活性的羥基自由基(OH)的生成。該結(jié)果為證實(shí)可見光直接激發(fā)光催化劑誘導(dǎo)電荷有效分離，以及闡明可見光光催化機(jī)理提供了有力證據(jù)。本研究為研制新型可見光光催化劑提供了一種新的重要技術(shù)途徑。 第26頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一光解水用光催化材料研究進(jìn)展 氫能，是一種最理想的無污染的綠色能源。由于氫大量地存在于水中，電解法可從水中獲得氫氣，但電解成本高，而方便廉價(jià)的氫氣制備成為各國學(xué)者的愿望。1972年，日本本多健一等人利用二氧化鈦（TiO2）半導(dǎo)體作電極，制成太陽能光電化學(xué)電池，揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性。隨著由電極電解水演變?yōu)槎嘞啻呋纸馑约癟iO2以外的

16、光催化劑的相繼發(fā)現(xiàn)，日本、歐美等國興起了以光催化方法分解水制氫(簡稱光解水)的研究，并在光催化劑的制備、改性以及光催化理論等方面取得較大進(jìn)展。 第27頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一 我國在光解水相關(guān)研究方面也有特色。研究表明，Ti02為可用于光解水較適宜的電極材料，但其禁帶寬度為3.2eV，只能吸收太陽光中的紫外光和近紫外光，光電轉(zhuǎn)換率僅有0.4%左右。而禁帶寬度在1.8eV左右的半導(dǎo)體作電極，可最大限度地吸收太陽光，提高制氫轉(zhuǎn)換效率，但這類電極容易產(chǎn)生陽極溶解，發(fā)生光腐蝕。我國的科研人員采用在反應(yīng)體系中加入電子接受體、在Ti02表面擔(dān)載貴金屬、制備二元及多元復(fù)合催化

17、劑、摻雜稀土元素、光敏化，以及采用新型的制備方法提高光催化劑的催化活性，先后開發(fā)了SrTi03、K4Nb6O17、BaTi409、K3Ta3Si2O13以及具有層間復(fù)合結(jié)構(gòu)的CdS/KTiNbO5、CdSK2Ti39Nb0.1O9/Pt等多種催化劑，取得了很大進(jìn)展，紫外光照射純水的活性已由最初的幾molgoh催化劑增大到幾百molgoh 第28頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一東北大學(xué)承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“光解水用摻雜稀土新型TiO2半導(dǎo)體電極的研究”，采用溶膠凝膠法、氣相沉積法等在電極中添加不同稀土及其它金屬氧化物，利用稀土的催化活性及擴(kuò)展材料吸光范圍等特性，制成

18、了TiO2-RE2O3、CdS-Ti02及CdS-W03-Ti02等電極，提高了電極的光電化學(xué)性能、耐蝕性、能量轉(zhuǎn)換效率及使用壽命，取得了較好的效果。盡管光解水制氫技術(shù)距離工業(yè)化還有一定差距，但這些科研成果給實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)帶來希望?？茖W(xué)家希望能找到新的突破口，研制和開發(fā)出具有高效率的光解水催化劑，使這一“太陽氫”工程真正能服務(wù)于人類。 第29頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一第30頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期一存在問題:光催化氧化技術(shù)在降解水中石油類污染物等有機(jī)污染物中有著突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是用其他技術(shù)難以對其進(jìn)行降解時(shí)，有著更明顯的優(yōu)勢。在諸如水分解制氫等其他領(lǐng)域，同樣有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，該技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中還存在著問題：第31頁，共34頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，