光電催化-課件

光電催化光電催化1主要內(nèi)容：光電催化的原理光電催化的影響因素光電催化的應(yīng)用存在的問(wèn)題光電催化處理污染物的展望2主要內(nèi)容：光電催化的原理2光電催化原理

必要條件:

光——吸收光或紫外光催化劑——TiO2以其活性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、低廉無(wú)毒、持續(xù)性長(zhǎng)、反應(yīng)條件溫和、降解速度快、催化效率高及具有超親水性等特點(diǎn)倍受人們青睞，成為當(dāng)前最有應(yīng)用潛力的一種光催化劑，在半導(dǎo)體的光催化研究中以其最為活躍。光催化的原理3光電催化原理必要條件:光催化的原理3導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-h+h+h+h+h+h+h+紫外線照射吸附（O2）還原（·O2-）吸附(污染物)氧化(污染物)吸附（H2O）氧化為(·OH)電子能量4導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶e-e-e-e

羥基自由基(·0H)，超氧離子自由基(·02-)及·0H2自由基具有很強(qiáng)的氧化能力，很容易將各種污染物物直接氧化為CO2，H2O等無(wú)機(jī)小分子。5羥基自由基(·0H)，超氧離子自由基(·02-)及·0H光催化劑有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即光生空穴一電子對(duì)的復(fù)合率較高

光電催化——即電場(chǎng)協(xié)助光催化技術(shù)（協(xié)同作用）提高光催化效率的關(guān)鍵在于減少光生空穴與電子的復(fù)合幾率

光電結(jié)合催化6光催化劑有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即光生空穴一電子對(duì)的復(fù)合率較高

光不同反應(yīng)類型的降解率比較圖引自：彭康華，潘湛昌，等.兩種載體上的光電催化降解氣相環(huán)已烷的研究[J].材料導(dǎo)報(bào).2007.21(10):1427不同反應(yīng)類型的降解率比較圖引自：彭康華，潘湛昌，等.兩種載體

光電催化裝置示意圖半導(dǎo)體氧化物薄膜作為工作電極，鉑絲為對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極構(gòu)成光電化學(xué)電池

TiO2hvCBVB+—e-e-h+OH-·OHO2·O2-薄膜電極鉑電極8光電催化裝置示意圖TiO2hvCBVB+大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜9大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜9由此得出光電催化的必要條件:光——多用紫外線電——電極構(gòu)成光化學(xué)電池催化劑——多用二氧化鈦空氣——提供氧氣10由此得出光電催化的必要條件:10與光催化相比的優(yōu)勢(shì)

TiO2光電組合效應(yīng)把導(dǎo)帶電子的還原過(guò)程同價(jià)帶空穴的氧化過(guò)程從空間位置上分開(與半導(dǎo)體微粒相比較)明顯地減少了電子和空穴的復(fù)合，結(jié)果大大增加了半導(dǎo)體表面·OH的生成效率防止了氧化中間產(chǎn)物在陰極上的再還原導(dǎo)帶電子能被引到陰極還原水中的H+，因此不需要向系統(tǒng)內(nèi)鼓入作為電子俘獲劑的O2

11與光催化相比的優(yōu)勢(shì)111212光電催化的影響因素催化劑的粒徑溶液電導(dǎo)率的影響溶液初始pH的影響外加偏電壓的影響光源與光強(qiáng)的影響溫度的影響13光電催化的影響因素催化劑的粒徑13催化劑的粒徑粒子越小單位質(zhì)量粒子數(shù)目越多光吸附效率就越高，光吸收不易飽和體系的比表面大也有助于有機(jī)物的預(yù)吸附，反應(yīng)速率和效率就大;粒徑越小光生電子從晶體內(nèi)擴(kuò)散到表面的時(shí)間越短電子與空穴分離的效果越好光催化活性就越高.14催化劑的粒徑粒子越小單位質(zhì)量粒子數(shù)目越多光吸附

粒徑也不是越小越好：粒徑降低到一定程度，比表面積急劇增加，導(dǎo)致表面電子和空穴復(fù)合幾率提高。而且粒徑的過(guò)分減小，量子尺寸效應(yīng)顯著，禁帶變寬，可利用的光的波長(zhǎng)范圍減小，導(dǎo)致可吸收的光子減少，遷移到表面的光生空穴一電子對(duì)減少，從而光催化效果降低。因而光催化劑的粒徑也有一個(gè)最佳值。15粒徑也不是越小越好：15溶液初始pH的影響

溶液的PH對(duì)光催化反應(yīng)有較大影響，主要是因?yàn)槿芤旱膒H不同，改變了半導(dǎo)體光透電極與電解質(zhì)溶液界面的電荷性質(zhì)，進(jìn)而影響了半導(dǎo)體光透電極對(duì)有機(jī)物的吸附。

16溶液初始pH的影響溶液的PH對(duì)光催化反應(yīng)有較大影響，主要

外加偏電壓的影響

外加電壓達(dá)到一定值時(shí)，光生載流子已達(dá)到充分分離，形成飽和光電流。因此，在光電流接近飽和狀態(tài)時(shí)，繼續(xù)增大電壓對(duì)光催化反應(yīng)速率提高幅度不大;

相反，隨著電壓的升高，光電流效率反而下降。17

外加偏電壓的影響外加電壓達(dá)到一定值時(shí)，光生載流子已達(dá)到光源與光強(qiáng)的影響

半導(dǎo)體光催化的機(jī)理是半導(dǎo)體在光照射下電子激發(fā)躍遷。因此，用于激發(fā)的電子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度才能完成電子激發(fā)，因此，理論上太陽(yáng)光也可以作為光源。目前的研究大部分只局限于紫外光部分，一般都采用紫外光強(qiáng)度較大的中、高壓汞燈或氨燈、黑光燈、紫外線殺菌燈等。由于到達(dá)地面的太陽(yáng)光有1%的光波長(zhǎng)在300一380nm范圍內(nèi)，可被吸收而激活催化，因此，理論上太陽(yáng)光也可以作為光源。目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)直接利用太陽(yáng)能光催化的研究正在深入廣泛地進(jìn)行。18光源與光強(qiáng)的影響半導(dǎo)體光催化的機(jī)理是半導(dǎo)體在光照射下電子TiO2光電催化在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

光電催化是在開發(fā)利用太陽(yáng)能的光電化學(xué)電池的過(guò)程中迅速發(fā)展起來(lái)的。

1972年,A.Fujishima和K.Honda在n型半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光電催化分解作用,從此開始了多相催化研究的新紀(jì)元。光電催化的前期研究大多限于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存(光解水制氫)。

20世紀(jì)80年代以來(lái),TiO2多相光催化在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)對(duì)水和氣相有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物的去除方面取得了較大進(jìn)展。長(zhǎng)期的研究表明,光催化方法能將多種有機(jī)污染物徹底礦化去除,為各種有機(jī)污染物和還原性的無(wú)機(jī)污染物,特別是生物難降解的有毒有害物質(zhì)的去除,提供了一種被認(rèn)為是極具前途的環(huán)境污染深度凈化技術(shù)。19TiO2光電催化在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用光電催化是在開發(fā)利用光電催化在水處理中的應(yīng)用

對(duì)水中污染物催化降解效果：凡是能利用光催化降解有機(jī)物，采用光電催化后其反應(yīng)效率均有較大提高。大量研究發(fā)現(xiàn)，采用光電催化技術(shù)能將水中有毒有機(jī)污染物，如：染料、硝基芳烴、取代苯胺、多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物、烴類、酚類等進(jìn)行有效脫色、降解、礦化，最終分解為二氧化碳、水和無(wú)機(jī)鹽。從而消除對(duì)環(huán)境的污染，光電催化能有效地將有機(jī)物完全礦化為二氧化碳和水。20光電催化在水處理中的應(yīng)用對(duì)水中污染物催化降解效果：202121存在的問(wèn)題

多數(shù)研究限于實(shí)驗(yàn)室研究，所使用電極面積較小，與實(shí)際廢水處理應(yīng)用仍有較大的距離將實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用相結(jié)合，是光電催化技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在光電催化研究中，光電反應(yīng)的特性研究及設(shè)計(jì).催化劑活性的提高是一個(gè)尚待解決的問(wèn)題。如果能將催化劑活性改善，使它在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)(可見光范圍)里得到激化，那么我們就可以利用太陽(yáng)能來(lái)處理各種難降解的污水22存在的問(wèn)題多數(shù)研究限于實(shí)驗(yàn)室研究，所使用電極面積較小，與2323光電催化在氣體污染物處理中的應(yīng)用

二氧化鈦半導(dǎo)體是一種得到廣泛應(yīng)用的光催化材料，由于高效、無(wú)二次污染等優(yōu)良特性，利用其進(jìn)行催化氧化降解空氣中有機(jī)污染物的多相光催化過(guò)程已日益受到人們重視.但是，光催化中光生空穴一電子對(duì)的簡(jiǎn)單復(fù)合將造成降解效率低，成為制約光催化應(yīng)用的關(guān)鍵.潘湛昌等提出用光電催化氧化降解氣相有機(jī)污染物以降低光生空穴與電子的復(fù)合率。以環(huán)己烷為目標(biāo)污染物，采用活性碳/石墨和泡沫鎳作TiO2的載體，形成微孔電極，用高聚物固體電解質(zhì)Nafion分隔陰、陽(yáng)兩極，組成新型氣相光電催化氧化反應(yīng)系統(tǒng)。利用外加電壓的作用，有效地解決了TiO2半導(dǎo)體光生電荷簡(jiǎn)單復(fù)合的問(wèn)題。24光電催化在氣體污染物處理中的應(yīng)用二氧化鈦半導(dǎo)體是一種得到光電催化光電催化25主要內(nèi)容：光電催化的原理光電催化的影響因素光電催化的應(yīng)用存在的問(wèn)題光電催化處理污染物的展望26主要內(nèi)容：光電催化的原理2光電催化原理

必要條件:

光——吸收光或紫外光催化劑——TiO2以其活性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、低廉無(wú)毒、持續(xù)性長(zhǎng)、反應(yīng)條件溫和、降解速度快、催化效率高及具有超親水性等特點(diǎn)倍受人們青睞，成為當(dāng)前最有應(yīng)用潛力的一種光催化劑，在半導(dǎo)體的光催化研究中以其最為活躍。光催化的原理27光電催化原理必要條件:光催化的原理3導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-h+h+h+h+h+h+h+紫外線照射吸附（O2）還原（·O2-）吸附(污染物)氧化(污染物)吸附（H2O）氧化為(·OH)電子能量28導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶e-e-e-e

羥基自由基(·0H)，超氧離子自由基(·02-)及·0H2自由基具有很強(qiáng)的氧化能力，很容易將各種污染物物直接氧化為CO2，H2O等無(wú)機(jī)小分子。29羥基自由基(·0H)，超氧離子自由基(·02-)及·0H光催化劑有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即光生空穴一電子對(duì)的復(fù)合率較高

光電催化——即電場(chǎng)協(xié)助光催化技術(shù)（協(xié)同作用）提高光催化效率的關(guān)鍵在于減少光生空穴與電子的復(fù)合幾率

光電結(jié)合催化30光催化劑有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即光生空穴一電子對(duì)的復(fù)合率較高

光不同反應(yīng)類型的降解率比較圖引自：彭康華，潘湛昌，等.兩種載體上的光電催化降解氣相環(huán)已烷的研究[J].材料導(dǎo)報(bào).2007.21(10):14231不同反應(yīng)類型的降解率比較圖引自：彭康華，潘湛昌，等.兩種載體

光電催化裝置示意圖半導(dǎo)體氧化物薄膜作為工作電極，鉑絲為對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極構(gòu)成光電化學(xué)電池

TiO2hvCBVB+—e-e-h+OH-·OHO2·O2-薄膜電極鉑電極32光電催化裝置示意圖TiO2hvCBVB+大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜33大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜9由此得出光電催化的必要條件:光——多用紫外線電——電極構(gòu)成光化學(xué)電池催化劑——多用二氧化鈦空氣——提供氧氣34由此得出光電催化的必要條件:10與光催化相比的優(yōu)勢(shì)

TiO2光電組合效應(yīng)把導(dǎo)帶電子的還原過(guò)程同價(jià)帶空穴的氧化過(guò)程從空間位置上分開(與半導(dǎo)體微粒相比較)明顯地減少了電子和空穴的復(fù)合，結(jié)果大大增加了半導(dǎo)體表面·OH的生成效率防止了氧化中間產(chǎn)物在陰極上的再還原導(dǎo)帶電子能被引到陰極還原水中的H+，因此不需要向系統(tǒng)內(nèi)鼓入作為電子俘獲劑的O2

35與光催化相比的優(yōu)勢(shì)113612光電催化的影響因素催化劑的粒徑溶液電導(dǎo)率的影響溶液初始pH的影響外加偏電壓的影響光源與光強(qiáng)的影響溫度的影響37光電催化的影響因素催化劑的粒徑13催化劑的粒徑粒子越小單位質(zhì)量粒子數(shù)目越多光吸附效率就越高，光吸收不易飽和體系的比表面大也有助于有機(jī)物的預(yù)吸附，反應(yīng)速率和效率就大;粒徑越小光生電子從晶體內(nèi)擴(kuò)散到表面的時(shí)間越短電子與空穴分離的效果越好光催化活性就越高.38催化劑的粒徑粒子越小單位質(zhì)量粒子數(shù)目越多光吸附

粒徑也不是越小越好：粒徑降低到一定程度，比表面積急劇增加，導(dǎo)致表面電子和空穴復(fù)合幾率提高。而且粒徑的過(guò)分減小，量子尺寸效應(yīng)顯著，禁帶變寬，可利用的光的波長(zhǎng)范圍減小，導(dǎo)致可吸收的光子減少，遷移到表面的光生空穴一電子對(duì)減少，從而光催化效果降低。因而光催化劑的粒徑也有一個(gè)最佳值。39粒徑也不是越小越好：15溶液初始pH的影響

溶液的PH對(duì)光催化反應(yīng)有較大影響，主要是因?yàn)槿芤旱膒H不同，改變了半導(dǎo)體光透電極與電解質(zhì)溶液界面的電荷性質(zhì)，進(jìn)而影響了半導(dǎo)體光透電極對(duì)有機(jī)物的吸附。

40溶液初始pH的影響溶液的PH對(duì)光催化反應(yīng)有較大影響，主要

外加偏電壓的影響

外加電壓達(dá)到一定值時(shí)，光生載流子已達(dá)到充分分離，形成飽和光電流。因此，在光電流接近飽和狀態(tài)時(shí)，繼續(xù)增大電壓對(duì)光催化反應(yīng)速率提高幅度不大;

相反，隨著電壓的升高，光電流效率反而下降。41

外加偏電壓的影響外加電壓達(dá)到一定值時(shí)，光生載流子已達(dá)到光源與光強(qiáng)的影響

半導(dǎo)體光催化的機(jī)理是半導(dǎo)體在光照射下電子激發(fā)躍遷。因此，用于激發(fā)的電子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度才能完成電子激發(fā)，因此，理論上太陽(yáng)光也可以作為光源。目前的研究大部分只局限于紫外光部分，一般都采用紫外光強(qiáng)度較大的中、高壓汞燈或氨燈、黑光燈、紫外線殺菌燈等。由于到達(dá)地面的太陽(yáng)光有1%的光波長(zhǎng)在300一380nm范圍內(nèi)，可被吸收而激活催化，因此，理論上太陽(yáng)光也可以作為光源。目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)直接利用太陽(yáng)能光催化的研究正在深入廣泛地進(jìn)行。42光源與光強(qiáng)的影響半導(dǎo)體光催化的機(jī)理是半導(dǎo)體在光照射下電子TiO2光電催化在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

光電催化是在開發(fā)利用太陽(yáng)能的光電化學(xué)電池的過(guò)程中迅速發(fā)展起來(lái)的。

1972年,A.Fujishima和K.Honda在n型半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光電催化分解作用,從此開始了多相催化研究的新紀(jì)元。光電催化的前期研究大多限于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存(光解水制氫)。

20世紀(jì)80年代以來(lái),TiO2多相光催化在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)對(duì)水和氣相有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物的去除方面取得了較大進(jìn)展。長(zhǎng)期的研究表明,光催化方法能將多種有機(jī)污染物徹底礦化去除,為各種有機(jī)污染物和還原性的無(wú)機(jī)污染物,特別是生物難降解的有毒有害物質(zhì)的去除,提供了一種被認(rèn)為是極具前途的環(huán)境污染深度凈化技術(shù)。43TiO2光電催化在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用光電催化是在開發(fā)利用光電催化在水處理中的應(yīng)用

對(duì)水中污染物催化降解效果：凡是能利用光催化降解有機(jī)物，采用光電催化后其反應(yīng)效率均有較大提高。大量研究發(fā)現(xiàn)，采用光電催化技術(shù)能將水中有毒有機(jī)污染物，如：染料、硝基芳烴、取代苯胺