演示文稿光催化材料

演示文稿光催化材料當(dāng)前1頁，總共45頁。光催化材料當(dāng)前2頁，總共45頁。為什么是光催化材料當(dāng)前3頁，總共45頁。能源問題CxHy+O2H2O+CO2+SO2+NOx

煤石油天然氣其他中國石油天然氣世界煤其他當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)2007》的數(shù)據(jù)表明，全球石油儲(chǔ)量可供生產(chǎn)40年，天然氣和煤炭則分別可以供應(yīng)65年和162年。當(dāng)前4頁，總共45頁。環(huán)境問題大氣污染全球每年排放SO22.9億噸，NOx約為5千萬噸，可吸入粉塵→酸雨、光化學(xué)煙霧、呼吸道疾病……洛杉磯PhotochemicalsmogAcidraineffectsBurningoffossilfuelssandstorm當(dāng)前5頁，總共45頁。環(huán)境問題霧霾是特定氣候條件與人類活動(dòng)相互作用的結(jié)果。高密度人口的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)活動(dòng)必然會(huì)排放大量細(xì)顆粒物（PM2.5），一旦排放超過大氣循環(huán)能力和承載度，細(xì)顆粒物濃度將持續(xù)積聚，此時(shí)如果受靜穩(wěn)天氣等影響，極易出現(xiàn)大范圍的霧霾。2014年10月11日北京霧霾引起社會(huì)關(guān)注。當(dāng)前6頁，總共45頁。環(huán)境問題全球pm2.5實(shí)時(shí)情況：/map/world/cn/當(dāng)前7頁，總共45頁。光催化氫能源

1870年的科幻小說中第一次提及，當(dāng)時(shí)提及的月球旅行、海底旅行、機(jī)器人等現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，水產(chǎn)生氫能源在20世紀(jì)成為現(xiàn)實(shí)；

特征：取之不盡；綠色清潔；便于儲(chǔ)存；使用方便，即可作為汽車燃料，也可通過燃料電池直接轉(zhuǎn)化為電能。

對于環(huán)境問題，半導(dǎo)體光催化是有希望的技術(shù)，可以大量的應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)，例如，空氣凈化，有毒廢水處理，水的凈化等。

·解決方案現(xiàn)在問題來了！新能源技術(shù)哪家強(qiáng)？？當(dāng)前8頁，總共45頁。光催化光催化劑（一般為半導(dǎo)體材料）在光(可見光或者紫外光)的照射下，通過把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而具有氧化還原能力，使化合物（有機(jī)物、無機(jī)物）被降解的過程稱為光催化。什么是光催化當(dāng)前9頁，總共45頁。從光合作用這種最簡單的光催化反應(yīng)，總結(jié)下一個(gè)光催化反應(yīng)發(fā)生的三個(gè)基本條件：葉綠素---光催化劑光-------特定波長范圍(400-600nm之間最佳)，非所有光都可以反應(yīng)物------二氧化碳和水光催化劑------一般為半導(dǎo)體材料光------------特定波長范圍，非所有光都可以反應(yīng)物--------空氣中的有機(jī)物或溶液中的有機(jī)污染物或水光催化反應(yīng)的三個(gè)基本條件：什么是光催化當(dāng)前10頁，總共45頁。光催化技術(shù)的發(fā)展歷史

當(dāng)前11頁，總共45頁。當(dāng)光能等于或超過半導(dǎo)體材料的帶隙能量時(shí)，電子從價(jià)帶(VB)激發(fā)到導(dǎo)帶(CB)形成光致電子-空穴。價(jià)帶空穴是強(qiáng)氧化劑，而導(dǎo)帶電子是強(qiáng)還原劑?？昭ㄅcH2O或OH-結(jié)合產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)極為活潑的羥基自由基（HO

.

）電子與O2結(jié)合也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)極為活潑的超氧離子自由基等(.O2-,HO

.

等)空穴，自由基都有很強(qiáng)的氧化性，能將有機(jī)物直接氧化為CO2,H2OA:半導(dǎo)體吸收光，產(chǎn)生電子和空穴的過程B:電子和空穴表面復(fù)合過程C:電子和空穴體內(nèi)復(fù)合過程D:還原過程E:氧化過程光催化的機(jī)理當(dāng)前12頁，總共45頁?？梢韵胂笠幌拢诜肿拥闹車?，形成了大量的光致電子和光致空穴，在光的照射下，他們不斷產(chǎn)生，又不斷復(fù)合，但是從宏觀的角度看，在某一時(shí)刻，總是有大量的來不及復(fù)合的電子和空穴的存在，他們不斷的尋找自己的獵物。作為光致電子來說，他們的獵物是電子受體，這樣光致電子就可以還原這個(gè)電子受體；而光致空穴遷移到表面后的獵物時(shí)哪些能夠提供電子的物質(zhì)，從而將這些物質(zhì)氧化。在過程中生成的羥基自由基和超氧離子自由基等，這些自由基的氧化能力特別強(qiáng)，強(qiáng)化對污染物的氧化還原反應(yīng)。光照時(shí)光子被半導(dǎo)體吸收，這是一個(gè)貯能過程。半導(dǎo)體多相光催化研究的主要內(nèi)容是利用半導(dǎo)體材料的光敏性將太陽能或其他形式的光能，通過光催化反應(yīng)轉(zhuǎn)換為化學(xué)能（如光解水制氫、光催化合成等分子儲(chǔ)能過程）或加速某種化學(xué)反應(yīng)（如污染物的光催化降解）的定向進(jìn)行。光催化的機(jī)理當(dāng)前13頁，總共45頁。-1.00.01.02.03.0SrTiO3TiO2SnO23.2eV3.23.8WO32.8Ta2O5ZrO2Nb2O5H+/H2(E=0eV)4.65.03.43.23.6ZnOZnSSiC3.0Evs.SHE(pH=0)/eVCdSO2/H2O(E=1.23eV)2.4穩(wěn)定、廉價(jià)、無毒14絕大部分只能吸收不到5％的太陽光(紫外部分)!常見半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)當(dāng)前14頁，總共45頁。常見的光催化材料photocatalystEbg（eV）photocatalystEbg（eV）Si1.1ZnO3.2TiO2（Rutile)3.0TiO2(Anatase)3.2WO32.7CdS2.4ZnS3.7SnO23.8SiC3.0CdSe1.7Fe2O32.2α-Fe2O33.1ZnO在水中不穩(wěn)定，會(huì)在粒子表面生成Zn(OH)2鐵的氧化物會(huì)發(fā)生陰極光腐蝕金屬硫化物在水溶液中不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生陽極光腐蝕，且有毒！當(dāng)前15頁，總共45頁。+3.0+2.0+1.00.0-1.0BandgapH+H2H2OO2H+/H2O2/H2Oh+h+h+h+h+e-e-e-e-e-

V/NHEWaterreductionWateroxidationhvValencebandConductionbandH2OH2+1/2O2G0=238kJ/mol(E=-Go/nF=-1.23eV)Chargeseparation/recombinationSeparationofreductionandoxidationControlofreversereaction半導(dǎo)體光催化制氫原理當(dāng)前16頁，總共45頁。高穩(wěn)定性、價(jià)廉；半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg要大于水的分解電壓；能帶位置要與氫和氧的反應(yīng)電勢相匹配：導(dǎo)帶位置要負(fù)于氫電極的反應(yīng)電勢(EH+/H2＋ηc)，使光電子的能量滿足析氫反應(yīng)要求。價(jià)帶位置應(yīng)正于氧電極的反應(yīng)電勢(Vb+ηa)，使光生空穴能夠有效地氧化水。高效吸收太陽光譜中大多數(shù)的光子。光子的能量還必須大于半導(dǎo)體禁帶寬度Eg：若Eg～3V，則入射光波長應(yīng)小于400nm，只占太陽光譜很小一部分。為實(shí)現(xiàn)太陽光直接驅(qū)動(dòng)水的劈裂，要求光催化材料具有：半導(dǎo)體光催化制氫條件當(dāng)前17頁，總共45頁。

常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2(銳鐵礦相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用處：將這類材料做成空心小球，浮在含有有機(jī)物的廢水表面上，利太陽光可進(jìn)行有機(jī)物的降解。應(yīng)用領(lǐng)域：廢水處理、汽車尾氣處理、降解空氣中的有害有機(jī)物、有機(jī)磷農(nóng)藥等當(dāng)前18頁，總共45頁。TiO2光催化劑的優(yōu)點(diǎn)納米TiO2是當(dāng)前最有應(yīng)用潛力的光催化劑當(dāng)前19頁，總共45頁。固相法氧化還原法熱分解方法高能球磨法:工藝簡單,但制得的粉體形狀不規(guī)則,顆粒尺寸分布寬,均勻性差。CompanyLogo光催化材料TiO2制備方法當(dāng)前20頁，總共45頁。液相法光催化材料TiO2制備方法當(dāng)前21頁，總共45頁。氣相法物理氣相沉積法物理氣相沉積法（PVD）是利用電弧、高頻或等離子體等高穩(wěn)熱源將原料加熱，使之氣化或形成等離子體，然后驟冷使之凝聚成納米粒子。其中以真空蒸發(fā)法最為常用。粒子的粒徑大小及分布可以通過改變氣體壓力和加熱溫度進(jìn)行控制。,該法制備的薄膜質(zhì)量高、密度大、結(jié)合性能好、強(qiáng)度大,而且生產(chǎn)重復(fù)性好,適于大面積沉積成膜,便于連續(xù)和半連續(xù)生產(chǎn),缺點(diǎn)是薄膜活性較低?；瘜W(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法（CVD）利用揮發(fā)性金屬化合物的蒸氣通過化學(xué)反應(yīng)生成所需化合物，該法制備的納米TiO2粒度細(xì)，化學(xué)活性高，粒子呈球形，單分散性好，可見光透過性好，吸收屏蔽紫外線能力強(qiáng)。該過程易于放大，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，但一次性投資大，同時(shí)需要解決粉體的收集和存放問題.光催化材料TiO2制備方法當(dāng)前22頁，總共45頁。納米TiO2光催化劑的負(fù)載由于粉體的納米TiO2過程中存在著使用和回收不便的問題，在實(shí)際的應(yīng)用中很難利用，因此需要對TiO2進(jìn)行負(fù)載，以便在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用。研究人員采用浸漬法、層層組裝的方法對納米TiO2進(jìn)行了負(fù)載，分別在石棉繩、玻璃纖維、沸石、分子篩上進(jìn)行了負(fù)載，得到了較好的結(jié)果。光催化材料TiO2制備方法當(dāng)前23頁，總共45頁。石棉繩沸石分子篩100℃干燥納米TiO2溶膠浸泡2h,除乙醇灼燒,600℃8h負(fù)載型納米TiO2催化性能測定24h浸漬法（載體為石棉繩、沸石、分子篩）當(dāng)前24頁，總共45頁。光催化

目前的TiO2光催化劑存在兩個(gè)問題：

①量子效率低②只能吸收紫外光,太陽能利用率低解決方法：貴金屬沉積復(fù)合半導(dǎo)體離子摻雜修飾有機(jī)染料光敏化光催化材料的改性當(dāng)前25頁，總共45頁。貴金屬沉積沉積Ag后的TiO2光催化性能光生電子在Ag島上富集，光生空穴向TiO2晶粒表面遷移，這樣行成的微電池促進(jìn)了光生電子和空穴的分離，提高了光催化效率。金屬離子可捕獲導(dǎo)帶中的電子，抑制電子和空穴的復(fù)合，但是摻雜濃度過高，金屬離子可能成為電子空穴復(fù)合中心。金屬離子的摻雜濃度對TiO2光催化效果的影響通常呈現(xiàn)拋物線關(guān)系。當(dāng)前26頁，總共45頁。復(fù)合半導(dǎo)體半導(dǎo)體復(fù)合的目的在于促進(jìn)體系光生空穴和電子的分離，以抑制它們的復(fù)合，本質(zhì)上可以看成是一種顆粒對另一種顆粒的修飾，其修飾方法包括簡單的組合，摻雜，多層結(jié)構(gòu)和異相組合，插層復(fù)合等。

當(dāng)不同半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶分別相連時(shí)，若窄禁帶半導(dǎo)體的導(dǎo)帶具有比TiO2更低的電勢時(shí)，則在可見光激發(fā)時(shí)，光生電子向能級更正的導(dǎo)帶遷移，而光生空穴遷向能級更負(fù)的價(jià)帶，從而實(shí)現(xiàn)光生電子和空穴的分離。當(dāng)前27頁，總共45頁。CompanyLogo離子摻雜修飾摻雜離子提高TiO2光催化效率的機(jī)制可以概括為以下幾個(gè)方面：金屬離子摻雜非金屬金屬離子摻雜Fe3+、Co2+、Cr3+

碳、氮、硫及鹵素

當(dāng)前28頁，總共45頁。有機(jī)染料光敏化有機(jī)染料對TiO2的光敏化可以使光催化劑吸收的光波波長紅移至可見光范圍。染料分子吸收太陽光，電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，只要活性物質(zhì)激發(fā)態(tài)電勢低于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電勢，光生電子就有可能輸送到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶上，而空穴則留在染料分子中，有效的抑制了電子與空穴的復(fù)合，這些光敏化物質(zhì)在可見光下有較大的激發(fā)因子，使光催化反應(yīng)延伸到可見光范圍。常用的光敏化物質(zhì)有勞氏紫、酞菁、玫瑰紅、曙紅等。當(dāng)前29頁，總共45頁。金屬氧化物ZnO、WO、Fe2O3、SnO2、Bi2O3等金屬氧化物都具有明顯的光催化作用。WangCun等人研究了納米ZnO/SnO2復(fù)合光催化劑，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZnO/SnO2按2:1比率復(fù)合時(shí)，有很高的光催化效率。并深入研究了納米ZnO/SnO2復(fù)合光催化劑影響因素和ZnO/SnO2的催化反應(yīng)機(jī)理。II-IV族半導(dǎo)體此類半導(dǎo)體的代表是ZnS、CdS、CdSe。單純的這些半導(dǎo)體材料的光催化性能不高，主要是和其他的光催化劑如TiO2、SnO2、ZnO等進(jìn)行復(fù)合，得到性能更好的復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑。鈣鈦礦型復(fù)合氧化物（ABO3）鈣鈦礦型復(fù)合氧化物（ABO3）具有獨(dú)特的電磁性質(zhì)和氧化還原催化活性，其中稀土離子占據(jù)A位，過渡金屬離子占據(jù)B位。它的光催化降解性是近年來研究的熱門課題其他光催化材料當(dāng)前30頁，總共45頁。Bi-Ti-O系新型光催化材料鈦酸鉍Bi4Ti3O12

是典型的鐵電材料，在壓電、光存儲(chǔ)和電光器件上有著廣泛的應(yīng)用。研究人員在研究Bi摻雜改性TiO2

時(shí)發(fā)現(xiàn)，鈦酸鉍具有較高的光催化性能，是一種很有前途的新型光催化材料。其他光催化材料當(dāng)前31頁，總共45頁。具有軟鉍礦結(jié)構(gòu)的一系列新型光催化劑，在紫外光照射下，它們在催化氧化有機(jī)污染物方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。軟鉍礦結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)通式為Bi12MO20-X，其中M可以是金屬Pb、Ni、Al、Ti、Fe等元素，這類結(jié)構(gòu)材料屬于體心立方的I23空間群，總體結(jié)構(gòu)為7個(gè)氧原子和Bi原子排列組成的多面體結(jié)構(gòu)，它和其他的Bi-O多面體和MO4四面體共角。這樣的結(jié)構(gòu)，提高了它的光催化活性。其他光催化材料當(dāng)前32頁，總共45頁。其他光催化材料石墨烯基復(fù)合材料石墨烯（Graphene）的特殊結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，它具有高導(dǎo)電率，優(yōu)良的電子遷移速率，更大的比表面積等特性。因此，石墨烯一直被視為能夠合成功能性復(fù)合材料的重要材料之一。近年來，基于石墨烯或者氧化石墨烯（GrapheneOxide，GO）與半導(dǎo)體納米材料結(jié)合而成的復(fù)合光催化劑因其在環(huán)境保護(hù)以及能源應(yīng)用等方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)而引起越來越多的重視。目前主要的石墨烯基復(fù)合材料主要有TiO2/石墨烯基復(fù)合材料,CdS/石墨烯基復(fù)合材料,ZnO/石墨烯基復(fù)合材料等都具有較好的光催化效果。當(dāng)前33頁，總共45頁。石墨烯基復(fù)合材料石墨烯是良好的電子導(dǎo)體其他光催化材料J.Phys.Chem.C2012,116,8111.石墨烯/ZnO復(fù)合材料光催化降解染料當(dāng)前34頁，總共45頁。其他光催化材料以CdS/石墨烯基復(fù)合材料制備為例：（1）以天然的石墨為原料采用Hummers和Hoffman法將其氧化制備得到氧化石墨，后經(jīng)過超聲清洗儀的超聲剝離的得到氧化石墨烯的薄片。經(jīng)超聲剝離的氧化石墨烯薄片經(jīng)過超聲及化學(xué)還原法制備得到石墨烯薄片。（2）通過一鍋法原位合成出石墨烯在復(fù)合材料中有不同摻雜比例的石墨烯/CdS納米薄片復(fù)合材料，運(yùn)用X射線衍射圖譜(XRD)、透射電鏡(TEM)等表征手段對制備的樣品的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行了表征。并借助光化學(xué)反應(yīng)儀研究了其對亞甲基藍(lán)溶液的脫色性能。結(jié)果表明：CdS納米顆粒均勻的分布在石墨烯的表面，粒徑大約為90nm左右。石墨烯/CdS在可見光照射下對亞甲基藍(lán)溶液有良好的脫色效果。當(dāng)光照時(shí)間達(dá)到60min，對亞甲基藍(lán)溶液降解效率達(dá)到最大，為91%。當(dāng)前35頁，總共45頁。其他光催化材料截止到現(xiàn)在，大多數(shù)石墨烯基納米復(fù)合材料能夠提高光催化劑的光化學(xué)性能的原因在于石墨烯具備超強(qiáng)的電子傳導(dǎo)能力，或者說石墨烯扮演一個(gè)電子存儲(chǔ)器和傳導(dǎo)器的角色，光生電子和空穴的再復(fù)合同時(shí)被抑制。當(dāng)前36頁，總共45頁。光催化材料的應(yīng)用TiO2光催化材料獨(dú)特的光學(xué)性能及其電性能，使其在催化劑領(lǐng)域、抗紫外線吸收劑、氣敏傳感器件等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，在光電池方面也顯示出巨大的應(yīng)用潛力。其獨(dú)特的超親水性和斥水性也使其在日常生活及國防工業(yè)中有獨(dú)特的應(yīng)用。當(dāng)前37頁，總共45頁。環(huán)保方面的應(yīng)用有機(jī)物催化劑光源光解產(chǎn)物烴TiO2紫外CO2，H2O鹵代烴TiO2紫外HCl，CO2，H2O羧酸TiO2紫外，氙燈CO，H2，烷烴，醇，酮酸表面活性劑TiO2日光燈CO2，SO32-染料TiO2紫外CO2，H2O，無機(jī)離子，中間物含氮有機(jī)物TiO2紫外CO32-，NO3-，NH4+，PO43-，F(xiàn)-等有機(jī)磷殺蟲劑TiO2紫外，太陽光Cr，PO43-，CO2無機(jī)污染物的光催化氧化還原光催化能夠解決Cr6+、Hg2+、Pd2+等重金屬離子的污染,還可分解轉(zhuǎn)化其它無機(jī)污染物，如CN-、NO2-、H2S、SO2、NOx等有機(jī)化合物的光催化降解當(dāng)前38頁，總共45頁。納米TiO2光催化綠色涂料對室內(nèi)氨氣等的降解光催化材料的應(yīng)用當(dāng)前39頁，總共45頁。滅殺細(xì)菌和病毒可以用于生活用水的的殺菌消毒；負(fù)載TiO2光催化劑的玻璃、陶瓷等是醫(yī)院、賓館、家庭等各種衛(wèi)生設(shè)施抗菌除臭的理想材料。使某些癌細(xì)胞失活TiO2表面修飾血卟啉（Hp，hematioporphyrin），通過有選擇地局部或局域注射微粒到瘤內(nèi)，隨后用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)紫外光集中照射瘤組織體，光激發(fā)TiO2顆粒表面生成強(qiáng)活性的反應(yīng)氧