光催化與光電催化課件

1、 實(shí)驗(yàn)室光催化反應(yīng)器光催化反應(yīng)器是光催化反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所。光源反應(yīng)容器 攪拌臺(tái)一、實(shí)驗(yàn)室光催化反應(yīng)器 實(shí)驗(yàn)室光催化反應(yīng)器光催化反應(yīng)器是光催化反應(yīng)發(fā)第一 光源的利用效率不高。光線從反應(yīng)器上部進(jìn)行照 射時(shí)，在溶液中急劇衰減。因此，只有溶液表面 的那層能夠利用光源，效率較低。第二 不能避免溶質(zhì)與溶劑的揮發(fā)損失。如果被降解的對(duì) 象（溶質(zhì)）是具有一定揮發(fā)性的有機(jī)物，則在反應(yīng) 過程中會(huì)有揮發(fā)損失，程度與有機(jī)物的揮發(fā)性大小 有關(guān)。如果光源的功率較大，還會(huì)導(dǎo)致溶劑發(fā)熱而 蒸發(fā)損失，使得反應(yīng)結(jié)果存在較大誤差。第一 光源的利用效率不高。光線從反應(yīng)器上部進(jìn)行照目前實(shí)驗(yàn)室常用一類反應(yīng)器圓柱形光催化反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：操作比較

2、方便；光源的利用效率比較高；反應(yīng)溫度比較容易控制；溶液混合也比較充分粉末催化劑的分散性能也比較好，可以避免粉末催化劑的團(tuán)聚，目前實(shí)驗(yàn)室常用一類反應(yīng)器圓柱形光催化反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)： 使用圓柱形光催化反應(yīng)器進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)應(yīng)當(dāng)注意兩個(gè)問題。 第一個(gè)問題是必須選擇合適的光源。選用單一波長(zhǎng)、功率較小的光源。第二個(gè)問題是取樣時(shí)間的控制。 如果采用的光源為高壓汞燈，反應(yīng)過程中取樣時(shí)間難以控制，因?yàn)榧词箤⒐療舻碾娫磾嚅_后仍然有部分余光。如果采用單波長(zhǎng)、小功率的穩(wěn)定光源，有時(shí)也會(huì)造成取樣時(shí)間的誤差。 使用圓柱形光催化反應(yīng)器進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)應(yīng)當(dāng)注二、光催化反應(yīng)時(shí)間控制器二、光催化反應(yīng)時(shí)間控制器本時(shí)間控制器的優(yōu)點(diǎn)如下：光

3、源在設(shè)定時(shí)間到達(dá)時(shí)自動(dòng)熄滅，光催化反應(yīng)或光反應(yīng) 立即停止，時(shí)間控制準(zhǔn)確。2. 操作者毋需在現(xiàn)場(chǎng)守候，到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，有樂音系統(tǒng) 自動(dòng)提醒操作者。 3. 當(dāng)某一光反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，如需持續(xù)到深夜，操作者也不 用在現(xiàn)場(chǎng)守候。到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，自動(dòng)熄滅，反應(yīng)停止，操作者可以在次日白天取樣。4. 光源自成本低廉，還可以用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)其他目的的時(shí)間控制。本時(shí)間控制器的優(yōu)點(diǎn)如下：三、實(shí)用型光催化反應(yīng)器光催化反應(yīng)器液相光催化反應(yīng)器 氣相光催化反應(yīng)器 液相光催化反應(yīng)器中的光-固（催化劑）-液（反應(yīng)溶液）- 氣（空氣）等各要素之間的良好接觸和匹配關(guān)系；氣相光催化反應(yīng)器中的光- 固（催化劑-汽（水蒸氣）-氣（反 應(yīng)氣和空

4、氣）等各要素之間的良好接觸和匹配關(guān)系。三、實(shí)用型光催化反應(yīng)器光催化反應(yīng)器液相光催化反應(yīng)器 氣相光催液相光催化反應(yīng)器的若干重要因素：光源是實(shí)用型光催化反應(yīng)器的核心部分之一。1.光源光源人工光源自然光源 人工光源一般為紫外光源或可見光光源，用電驅(qū)動(dòng)；采用浸沒式，光的利用效率比較高，光源采用石英層，一般在反應(yīng)溶液外有循環(huán)冷卻水。自然光源為太陽光，一般將反應(yīng)器設(shè)計(jì)成平板型光催化反應(yīng)器和聚光式光催化反應(yīng)器等類型。液相光催化反應(yīng)器的若干重要因素：光源是實(shí)用型光催化反應(yīng)器的核2. 催化劑的存在方式選擇催化劑的存在方式也是光催化反應(yīng)器中的重要因素之一。催化劑的存在方式懸漿態(tài)固定態(tài)流化態(tài)懸漿體反應(yīng)器固定床反應(yīng)器

5、流化床反應(yīng)器 負(fù)載型薄膜型填充型 一定程度上 實(shí)現(xiàn)光催化 劑使用后的 回收和重復(fù) 利用。 負(fù)載型催化劑主要指將粉末光催化劑通過粘接劑負(fù)載于某種載體上，常用的載體有砂子、玻璃、無紡布、沸石、分子篩、玻璃纖維、中空玻珠、活性炭、硅膠、不銹鋼等。2. 催化劑的存在方式選擇催化劑的存在方式也是光催化反應(yīng)器中選用載體時(shí)要考慮以下幾點(diǎn)：載體的比表面積要大，有利于增加反應(yīng)面積；有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性能；不能損害催化劑的活性，最好能增強(qiáng)催化劑的活性；價(jià)廉易得。選用載體時(shí)要考慮以下幾點(diǎn)：第二節(jié) 分析方法 材料的表征和分析是材料學(xué)的重要組成部分，在整個(gè)材料研究領(lǐng)域占有非常重要的地位。 確定未知物，包括天然的和

6、人工合成的。 在材料的合成中，對(duì)反應(yīng)生成物進(jìn)行分析測(cè)試。確定是 否是目標(biāo)產(chǎn)物；如果產(chǎn)物中含有雜質(zhì)，通過對(duì)產(chǎn)物的測(cè) 試分析，來指導(dǎo)合成。第二節(jié) 分析方法 材料的表征和分析是材料學(xué)的第二節(jié) 分析方法 在光催化的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)中，在催化劑的制備過程中，需要對(duì)催化劑進(jìn)行表征。分析方法物理表征法光學(xué)表征法化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征法第二節(jié) 分析方法 在光催化的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開 X射線衍射分析是利用晶體形成對(duì)X射線衍射，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布的狀況進(jìn)行分析的方法。 原理：一定波長(zhǎng)的X射線照射到晶體物質(zhì)上時(shí)，X射線會(huì)遇到晶體內(nèi)規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射，散射的X射線在某些方向上相位得到加強(qiáng)，從而顯示與結(jié)晶

7、結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象。物理表征方法 X射線衍射分析是利用晶體形成對(duì)X射線衍射布拉格方程：入射光波長(zhǎng)；：布拉格角；n：反射級(jí)數(shù)。布拉格方程：入射光波長(zhǎng)；：布拉格角；n：反射級(jí)數(shù)。光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件 電子顯微鏡，簡(jiǎn)稱電鏡，是根據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，使物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)在非常高的放大倍數(shù)下成像的儀器。2.電子顯微鏡（EM）電子顯微鏡掃描電子顯微鏡（SEM）透射電子顯微鏡（TEM） 電子顯

8、微鏡，簡(jiǎn)稱電鏡，是根據(jù)電子光學(xué)原理，用電掃描電鏡原理：電子束在樣品表面做掃描，激發(fā)出二次電子和被散射電子等信號(hào)，二次電子相和背散射電子反應(yīng)樣品表面微觀形貌特征。特征X射線分析樣品的微區(qū)化學(xué)成分。投射電鏡原理：是以波長(zhǎng)極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦的一種具有高分辨、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。.在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣品表面的樣品的核外電子叫做二次電子背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子，其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。 掃描電鏡原理：電子束在樣品表面做掃描，激發(fā)出二次電子和被散射利用電子束在樣品表面掃描激發(fā)出來代表樣品表面特征的信號(hào)成像的?？赏瑫r(shí)

9、進(jìn)行表面形貌和成分分析。分辨率1nm，放大倍數(shù)2020萬 倍。采用透過薄膜樣品的電子束來顯示樣品內(nèi)部組織形態(tài)與結(jié)構(gòu)的?？赏瑫r(shí)進(jìn)行微觀組織形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)和成分分析。分辨率0.1nm 放大倍數(shù)80100萬倍。利用電子束在樣品表面掃描激發(fā)出來代表樣品表面特征的信號(hào)成像的水熱合成系列鈣鈦礦DyMnO3和DyFeO3水熱合成系列鈣鈦礦DyMnO3和DyFeO3熔融鹽法制備鈣鈦礦材料EDS分析特征X射線：當(dāng)樣品原子的內(nèi)層電子被入射電子激發(fā)或電離時(shí)，原子就會(huì)處于能量較高的激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)外層電子將向內(nèi)層躍遷以填補(bǔ)內(nèi)層電子的空缺，從而使具有特征能量的X射線釋放出來。 熔融鹽法制備鈣鈦礦材料EDS分析特征X射線：

10、當(dāng)樣品原子的內(nèi)層Transmission electron microscopy (TEM) image of La0.5Ba0.5MnO3 nanocubes。 ( b) High-resolution TEM image of a 30-nmLa0.7Ba0.3MnO3nanocube along with a selected area diffraction pattern shown inthe inset.Transmission electron microsco3. BET比表面積測(cè)定3. BET比表面積測(cè)定光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件比表面積:

11、 S =VmNAm22400W10-18(m2/g)=4.36Vm/W(m2/g)比表面積: S =VmNAm22400W10-18(光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件2. 熒光發(fā)射光譜常用來研究半導(dǎo)體中電子和空穴的捕獲、累積或轉(zhuǎn)移。二氧化鈦光催化劑受光激發(fā)后會(huì)產(chǎn)生電子和空穴，其中復(fù)合部分的能量以光的形式釋放出來，發(fā)出熒光，低的熒光發(fā)射強(qiáng)度意味著低的電子空穴復(fù)合率。2. 熒光發(fā)射光譜常用來研究半導(dǎo)體中電子和空穴光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征法 TiO2光催化劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)是指其元素組成、價(jià)態(tài)分布基團(tuán)及自由基等的種類和含量。1.化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征法 TiO2光催化劑的化學(xué)

12、結(jié)構(gòu)是指光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件光催化與光電催化課件 色譜法是一種重要的分離分析方法，它是利用混合物不同組分在兩相中具有不同的分配系數(shù)（或吸附系數(shù)、滲透性），當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同組分在兩相中進(jìn)行多次反復(fù)分配實(shí)現(xiàn)分離后，通過檢測(cè)器得以檢測(cè)，進(jìn)行定量分析。其中，不動(dòng)的一相稱為固定相，而攜帶流過此固定相的流體稱為流動(dòng)相。 色譜法因具有分離性能高、靈敏度高和分析速度快等特點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代儀器分析方法中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，也在光催化研究中得到廣泛應(yīng)用。 色譜法是一種重要的分離分析方法，它是利用混合光催

13、化與光電催化課件 氣相色譜法是采用氣體（載氣）作為流動(dòng)相的一種色譜方法，色譜儀通常由載氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和記錄與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。 具有穩(wěn)定流量的載氣（不與被測(cè)物質(zhì)作用的氣體，如氫氣、氮?dú)獾龋?，將樣品在氣化室氣化后，帶入色譜柱得以分離，不同組分先后從色譜柱中流出，經(jīng)過檢測(cè)器和記錄儀，得到代表不同組分及濃度的色譜峰組成的色譜圖。 氣相色譜法是采用氣體（載氣）作為流動(dòng)相的一種色A為吸光度,T為透射比,是透射光強(qiáng)度比上入射光強(qiáng)度 K為摩爾吸收系數(shù)。它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。 c為吸光物質(zhì)的濃度 b為吸收層厚度 。物理意義是當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸

14、光物質(zhì)時(shí),其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比。A= lg(1/T) = K b cA= lg(1/T) = K b c總有機(jī)碳是指水體中溶解性和懸浮性有機(jī)物含碳的總量。TOC是一個(gè)快速檢定的綜合指標(biāo)，它以碳的數(shù)量表示水中含有機(jī)物的總量。通常作為評(píng)價(jià)水體有機(jī)物污染程度的重要依據(jù)。 測(cè)定時(shí)，先用催化燃燒或濕法氧化法將樣品中的有機(jī)碳全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳，生成的二氧化碳可直接用紅外線檢測(cè)器測(cè)量，亦可轉(zhuǎn)化為甲烷，用氫火焰離子化檢測(cè)器測(cè)量，然后將二氧化碳含量折算成含碳量?？傆袡C(jī)碳是指水體中溶解性和懸浮性有機(jī)物含碳的總量。TOC是一光催化與光電催化課件 光催化反應(yīng)屬于多相反應(yīng)，因此，具有一般多相反應(yīng)的特征。比如，反應(yīng)步驟比較多，通?？煞譃榉磻?yīng)物向催化劑表面的傳質(zhì)、吸附，表面反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物的脫附和傳質(zhì)等。 液相光催化反應(yīng)中，可以不考慮傳質(zhì)的作用。 光催化反應(yīng)屬于多相反應(yīng)，因此，具有一般多相反應(yīng)光催化與光電催化課件 吸附的有機(jī)物同吸附的羥基自由基出了四種可能的反應(yīng)。1.吸附的有機(jī)物通吸附的羥基自由基之間的反應(yīng)；2.吸附的有機(jī)物同擴(kuò)散到溶液相中的羥基自由基之間的反 應(yīng)；3.溶液相中的有機(jī)物同溶