新材料概論課件ppt 第12章 光催化材料

第12章光催化材料12.1光催化基礎(chǔ)12.1.1能源問(wèn)題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。12.1.2環(huán)境問(wèn)題全球每年排放SO22.9億噸，NOx約為5千萬(wàn)噸，可吸入粉塵→酸雨、光化學(xué)煙霧、呼吸道疾病……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(guò)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。12.1.3能源問(wèn)題解決方案氫能源

1870年的科幻小說(shuō)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(guò)燃料電池直接轉(zhuǎn)化為電能。12.1.4.環(huán)境問(wèn)題解決方案對(duì)于環(huán)境問(wèn)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。12.1.5什么是光催化？光催化劑（一般為半導(dǎo)體材料）在光(可見(jiàn)光或者紫外光)的照射下，通過(guò)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(wú)機(jī)物）被降解的過(guò)程稱為光催化。

·12.1.6光催化反應(yīng)的三個(gè)基本條件從光合作用這種最簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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12.1.7光催化技術(shù)的發(fā)展歷史12.2光催化的原理A:半導(dǎo)體吸收光，產(chǎn)生電子和空穴的過(guò)程B:電子和空穴表面復(fù)合過(guò)程C:電子和空穴體內(nèi)復(fù)合過(guò)程D:還原過(guò)程E:氧化過(guò)程（1）當(dāng)光能等于或超過(guò)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。（2）空穴與H2O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)?？昭?，自由基都有很強(qiáng)的氧化性，能將有機(jī)物直接氧化為CO2和H2O。（3）在分子的周圍，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(lái)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。（4）作為光致電子來(lái)說(shuō)，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(guò)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(duì)污染物的氧化還原反應(yīng)。（5）光照時(shí)光子被半導(dǎo)體吸收，這是一個(gè)貯能過(guò)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(yáng)能或其他形式的光能，通過(guò)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(guò)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。12.2.1常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)-1.0-1.00.01.02.03.0SrTiO3TiO2SnO23.2eV3.23.8WO32.8Ta2O5ZrO2Nb2O5H+/H2(E=0eV)4.65.03.43.23.6ZnOZnSSiC3.0Evs.SHE(pH=0)/eVCdS2.4絕大部分只能吸收不到5％的太陽(yáng)光(紫外部分)!12.2.2常見(jiàn)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-Fe2O33.1常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2(銳鐵礦)、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(yáng)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12.2.3TiO2光催化劑的優(yōu)點(diǎn)12.3光催化材料的合成、表征及性能評(píng)價(jià)12.3.1光催化材料TiO2制備方法（1）固相法①氧化還原法②熱分解方法③高能球磨法工藝簡(jiǎn)單，但制得的粉體形狀不規(guī)則，顆粒尺寸分布寬，均勻性差。（2）液相法 （3）氣相法①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。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。②化學(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(guò)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(jiàn)光透過(guò)性好，吸收屏蔽紫外線能力強(qiáng)。該過(guò)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(wèn)題。12.3.2納米TiO2由于粉體的納米TiO2過(guò)程中存在著使用和回收不便的問(wèn)題，在實(shí)際的應(yīng)用中很難利用，因此需要對(duì)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(duì)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。12.3.3光催化材料的改性目前的TiO2光催化劑存在兩個(gè)問(wèn)題：①量子效率低②只能吸收紫外光，太陽(yáng)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（1）貴金屬沉積沉積Ag后的TiO2光催化性能（2）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(duì)另一種顆粒的修飾，其修飾方法包括簡(jiǎn)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(shì)時(shí)，則在可見(jiàn)光激發(fā)時(shí)，光生電子向能級(jí)更正的導(dǎo)帶遷移，而光生空穴遷向能級(jí)更負(fù)的價(jià)帶，從而實(shí)現(xiàn)光生電子和空穴的分離。（3）離子摻雜修飾（4）有機(jī)染料光敏化有機(jī)染料對(duì)TiO2的光敏化可以使光催化劑吸收的光波波長(zhǎng)紅移至可見(jiàn)光范圍。染料分子吸收太陽(yáng)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(shì)低于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電勢(shì)，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(jiàn)光下有較大的激發(fā)因子，使光催化反應(yīng)延伸到可見(jiàn)光范圍。常用的光敏化物質(zhì)有勞氏紫、酞菁、玫瑰紅、曙紅等。12.3.4其他光催化材料（1）金屬氧化物ZnO、WO3、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。（2）II-VI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。（3）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(guò)渡金屬離子占據(jù)B位。它的光催化降解性是近年來(lái)研究的熱門課題。（4）Bi-Ti-O系新型光催化材料研究人員在研究Bi摻雜改性TiO2時(shí)發(fā)現(xiàn)，鈦酸鉍Bi4Ti3O12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。（5）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(lái)，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(lái)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。12.3.5光催化材料的物性研究（1）光催化材料的成分分析（2）光催化材料的物相結(jié)構(gòu)分析（3）光催化材料的形貌尺度分析（4）光催化材料的化學(xué)鍵研究（5）熱穩(wěn)定性（1）光催化材料的成分分析①光催化材料的主成分分析XRF、ICP，AAS②光催化材料摻雜元素分析ICP、AAS、ICP-MS③光催化材料的微區(qū)成分分析EDS、EELS④光催化材料的表面成分分析XPS、AES、SIMS①光催化材料成分分析-主成分分析火焰原子吸收光譜法檢測(cè)限低：PPM量級(jí)分析精度高：1%左右元素范圍廣：70多種選擇性高：無(wú)需分離難熔性金屬元素、稀土元素和非金屬元素不能多元素同時(shí)分析，適合單元素分析 需要消解為溶液 等離子體發(fā)射光譜（ICP）檢測(cè)限低：PPM量級(jí)；分析精度高：1%誤差；元素范圍廣：70多種選擇性高：無(wú)需分離；線性范圍寬：4～6個(gè)數(shù)量級(jí)可定性和定量分析；可進(jìn)行多元素同時(shí)分析；不能分析非金屬元素需要消解為溶液X射線熒光光譜分析XRF檢測(cè)限低:PPM量級(jí)；分析精度高：1%濃度以上的，誤差小于1%元素范圍：Z大于3的元素?zé)o需標(biāo)樣可定性和定量分析測(cè)定薄膜的厚度和組成固體和液體可直接分析全反射XRF可檢測(cè)PPB量級(jí)②光催化材料摻雜組分分析-痕量分析石墨爐原子吸收光譜法檢測(cè)限低：PPB量級(jí)，絕對(duì)量0.01-1pg分析精度：3%以上；取樣量少：1-50微升元素范圍廣：70余種元素定量效果差：3-5%誤差樣品需要消解成溶液適合：痕量元素成份分析等離子體質(zhì)譜ICP-MS檢測(cè)限：PPB量級(jí)，可檢測(cè)到pg量級(jí)分析精度高：1%誤差；多元素同時(shí)分析；可定性和定量分析；可以分析非金屬元素；線性范圍寬，4-6數(shù)量級(jí)；樣品需要消解成溶液。X射線能量色散譜法EDS微區(qū)分析：空間分辨率0.2微米精度度高：優(yōu)于2%靈敏度高：100PPM-1%，達(dá)到10－15g多元素同時(shí)分析可以進(jìn)行選區(qū)分析輕元素檢測(cè)靈敏度低固體材料直接分析電子能力損失譜EELS納米區(qū)域分析：最小空間分辨率可達(dá)0.5納米檢測(cè)限：PPM分析精度高：1%誤差；多元素同時(shí)分析；可定性和定量分析；可以分析非金屬元素；固體材料直接分析③固體材料的元素分析和微區(qū)元素分析實(shí)例④光催化材料表面成分分析表面分析的特點(diǎn)：表面性-表面只占體相的很小部分，10－10倍表面單分子層的電離截面很小-要求有很高的靈敏度表面上存在大量懸掛化學(xué)健-其化學(xué)狀態(tài)可能與體相不同X射線光電子能譜(XPS)俄歇電子能譜（AES）二次離子質(zhì)譜（SIMS）X射線光電子能譜XPS表面分析：1-10nm檢測(cè)限：0.1%分析精度：3%以上元素范圍：氫氦以外7選擇性高：無(wú)需分離可定性和半定量相對(duì)含量固體樣品；表面特性：XPS是一種表面靈敏的分析方法，具有很高的表面檢測(cè)靈敏度，可達(dá)到10-3原子單層，但體相檢測(cè)靈敏度僅為0.1%左右。其表面采樣深度為2.0～5.0nm結(jié)合能：XPS的結(jié)合能僅與元素的種類和所電離激發(fā)的原子軌道有關(guān)?？梢岳媒Y(jié)合能進(jìn)行表面元素的定性分析；半定量分析：X射線激發(fā)出的光電子的強(qiáng)度是與樣品中該原子的濃度有線性關(guān)系，可以進(jìn)行表面元素的半定量分析。由于影響強(qiáng)度的因素很多如光電子的平均自由程、樣品的表面光潔度，元素所處的化學(xué)狀態(tài)，X射線源強(qiáng)度以及儀器的狀態(tài)有關(guān)；不能給出所分析元素的絕對(duì)含量，僅能提供各元素的相對(duì)含量?；瘜W(xué)效應(yīng)：XPS的結(jié)合能會(huì)受元素所處環(huán)境的變化而發(fā)生微小的變化，化學(xué)位移可以分析元素在該物種中的化學(xué)價(jià)態(tài)和存在形式深度分析：通過(guò)角分辨和離子束濺射技術(shù)，可以分析元素和價(jià)態(tài)沿深度方向的分布。俄歇電子能譜AES表面分析：1-10nm檢測(cè)限：0.1%分析精度：3%以上誤差；元素范圍：氫氦以外選擇性高：無(wú)需分離；可定性和半定量相對(duì)含量導(dǎo)電或半導(dǎo)體固體樣品二次離子質(zhì)譜SIMS表面分析：1納米以下；檢測(cè)限：PPM量級(jí)；分析精度高：誤差小于1%元素范圍：所有元素可定性和定量分析固體樣品（2）光催化材料的物相結(jié)構(gòu)分析①X射線衍射分析XRD物相結(jié)構(gòu)與晶相結(jié)構(gòu)判斷晶格常數(shù)和晶胞參數(shù)分析晶面間距分析晶粒大小分析摻雜結(jié)構(gòu)分析（XRD）②電子衍射ED微區(qū)物相和晶相結(jié)構(gòu)；晶面和晶格參數(shù)納米尺度晶相結(jié)構(gòu)③拉曼光譜物相結(jié)構(gòu)；晶粒大?。槐∧し治觫賆射線衍射分析XRD的信息抽取晶相結(jié)構(gòu)分析晶相結(jié)構(gòu)鑒定：確定光催化劑的晶相結(jié)構(gòu)晶相含量測(cè)定：確定每種晶相的含量晶格參數(shù)測(cè)定晶面間距：從衍射角確定晶面間距晶胞參數(shù)：從衍射角確定晶胞參數(shù)晶面取向：從衍射角的強(qiáng)度比了解晶面優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)摻雜狀態(tài)：從晶面間距的擴(kuò)張和收縮確定晶胞間隙摻雜或晶格位點(diǎn)摻雜晶粒度的測(cè)定晶粒大?。夯谘苌渚€的寬度與材料晶粒大小有關(guān)這一現(xiàn)象，計(jì)算特定晶面方向的長(zhǎng)程有序長(zhǎng)度；晶粒大小可采用Scherrer公式進(jìn)行計(jì)算。適用條件：當(dāng)晶粒大于100nm以上，其衍射峰的寬度隨晶粒大小的變化就不敏感了；一般測(cè)量晶粒大小在300nm以下的材料。l是入射X射線的波長(zhǎng)q是衍射hkl的布拉格角bhkl是衍射hkl的半峰寬，單位為弧度。使用Scherer公式測(cè)定晶粒度大小的適用范圍是5nm~300nm。②電子衍射微區(qū)結(jié)構(gòu)分析電子束能量在102-106eV（0.04-0.004nm）的范圍內(nèi)。電子衍射與X射線一樣，也遵循布拉格方程2dsinq=nl。電子束衍射的角度小，測(cè)量精度差，不如XRD電子束很細(xì)，結(jié)合TEM可作微區(qū)分析。電子衍射強(qiáng)度大，所需曝光時(shí)間短，攝取衍射花樣時(shí)僅需幾秒鐘。主要用于微區(qū)的物相和晶體參數(shù)分析。電子衍射分析的信息抽取晶相狀態(tài)判斷：非晶、多晶、單晶晶系判斷：根據(jù)衍射斑點(diǎn)判斷所屬晶系晶面間距確定：根據(jù)衍射環(huán)，計(jì)算晶面間距晶胞參數(shù)確定：根據(jù)衍射環(huán)和點(diǎn)計(jì)算晶胞參數(shù)③拉曼光譜提供的晶相結(jié)構(gòu)信息晶相結(jié)構(gòu)判斷；利用晶體結(jié)構(gòu)引起的晶格振動(dòng)的不同晶粒大小測(cè)定；利用晶粒度對(duì)LRS散射效應(yīng)導(dǎo)致的位移效應(yīng)，還可以研究晶粒度的信息短程有序材料也可分析；檢測(cè)靈敏度比XRD高（3）材料的形貌結(jié)構(gòu)分析外觀形貌的直接觀察-SEM、TEM、AFM晶格結(jié)構(gòu)的研究-HRTEM粗糙度和厚度的研究-AFM顆粒大小的研究-SEM、TEM、AFM形貌分析方法：掃描電子顯微鏡SEM透射電子顯微鏡TEM原子力顯微鏡AFM①SEM形貌分析信息特點(diǎn)SEM空間分辨率：場(chǎng)發(fā)射0.5nm，六硼化鑭燈絲：3nm，鎢燈絲：6nm視野：從納米到毫米量級(jí)均可觀察；很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)。信息：幾何形貌；幾何尺寸；分散狀態(tài)；微區(qū)成分：特定形貌區(qū)域的元素組成。二次電子像：0.5nm背散射電子像：40nmEDS分析0.2～0.5微米②透射電子顯微鏡TEM形貌分析特點(diǎn)透射電鏡具有很高的空間分辯能力，可放大150萬(wàn)倍，晶格像分辨率0.1nm；樣品使用量少，適合納米粉體的分析，顆粒大小應(yīng)小于300nm，對(duì)塊體樣品的分析，透射電鏡一般需要對(duì)樣品進(jìn)行減薄處理。不僅可以獲得樣品的形貌，顆粒大小，分布以還可以獲得特定區(qū)域的元素組成及物相結(jié)構(gòu)信息。③原子力顯微鏡AFMAFM使用一個(gè)極細(xì)的探針在樣品表面進(jìn)行光柵掃描，探針是位于一懸臂的末端頂部，該懸臂可對(duì)針尖和樣品間的作用力作出反應(yīng)。（4）光催化材料的化學(xué)鍵研究材料的價(jià)鍵信息：化學(xué)鍵、分子結(jié)構(gòu)、結(jié)合形式、吸附狀態(tài)、表面酸堿性、晶體結(jié)構(gòu)、相互作用頻率與化學(xué)鍵：化學(xué)鍵的力常數(shù)越大，折合質(zhì)量越小，則化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率越高，吸收峰將在高波數(shù)區(qū)出現(xiàn)。①紅外光譜的價(jià)鍵信息頻率：化學(xué)鍵或晶格振動(dòng)信息強(qiáng)度：含量信息峰位移：化學(xué)鍵的相互作用漫反射紅外：吸附態(tài)、中間產(chǎn)物；表面酸堿性:吸附基團(tuán)②拉曼光譜的價(jià)鍵信息拉曼位移取決于分子振動(dòng)能級(jí)的變化，不同的化學(xué)鍵或基態(tài)有不同的振動(dòng)方式，決定了其能級(jí)間的能量變化，因此，與之對(duì)應(yīng)的拉曼位移是特征的。拉曼位移也與晶格振動(dòng)有關(guān)，可以研究晶體材料的結(jié)構(gòu)特征；激發(fā)光源的波長(zhǎng)可以不同，但不會(huì)影響其拉曼散射的位移。③紅外和拉曼光譜研究?jī)r(jià)鍵結(jié)構(gòu)的比較共性：分子結(jié)構(gòu)測(cè)定，同屬振動(dòng)光譜各自特色中紅外光譜 拉曼光譜生物、有機(jī)材料為主 無(wú)機(jī)、有機(jī)、生物材料對(duì)極性鍵敏感 對(duì)非極性鍵敏感需簡(jiǎn)單制樣 無(wú)需制樣光譜范圍：400~4000cm-1 光譜范圍：50~3500cm-1局限：含水樣品 局限：有熒光樣品（5）穩(wěn)定性研究熱穩(wěn)定性：TGA：進(jìn)行環(huán)境熱重分析。了解在各種環(huán)境下的失重情況；DTA：進(jìn)行環(huán)境氣氛中的差熱分析，了解在各種環(huán)境下的相變過(guò)程。12.3.6光催化材料的性能研究（1）光催化材料光電性能①光催化材料的光吸收性能研究（UVDRS）光的吸收波長(zhǎng)分布：大陽(yáng)光的利用效率光的吸收系數(shù)：光吸收效率②光催化材料的能帶間隙的研究（UVDRS）通過(guò)光吸收邊轉(zhuǎn)換計(jì)算出能帶間隙③光催化材料的能帶位置研究（平帶電位）通過(guò)光電化學(xué)測(cè)量，計(jì)算出平帶電位，結(jié)合能帶間隙，可以確定價(jià)帶邊和導(dǎo)帶邊的位置④光催化材料電荷分離性能研究（交流阻抗譜）通過(guò)光電化學(xué)測(cè)量，計(jì)算出交流阻抗，研究電荷空穴遷移和分離效率（2）光催化材料的活性評(píng)價(jià)①紫外漫反射光譜法UVDRS紫外-可見(jiàn)吸收光譜法：是基于分子和晶體內(nèi)電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜的方法，屬于分子光譜范疇?？梢匝芯糠肿觾?nèi)和固體材料的電子躍遷過(guò)程。吸收峰的位置：譜帶的躍遷能級(jí)能量差所決定；吸收峰的強(qiáng)度：分子能級(jí)之間的躍遷幾率所決定。紫外可見(jiàn)光譜區(qū)域UV:200-380nmVIS:380-780nm780nm以上為近紅外區(qū)在半導(dǎo)體材料吸收光譜中，吸光度曲線短波端陡峻地上升標(biāo)志著材料本征吸收的開始，可以根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度可以計(jì)算出相應(yīng)的本征吸收長(zhǎng)波限。②光電化學(xué)研究-光電流法光電流：當(dāng)光照射半導(dǎo)體電極時(shí)，當(dāng)入射光的能量大于半導(dǎo)體的能隙寬度時(shí)，電子由價(jià)帶向?qū)кS遷產(chǎn)生空穴－電子對(duì)，光生電子沿導(dǎo)線向另一電極遷移產(chǎn)生電流，并且光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比，光電流反映了光生電子和光生空穴的分離性質(zhì)。③光電化學(xué)研究法：交流阻抗譜電化學(xué)阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS）也可以稱為交流阻抗譜（ACImpedance），是研究電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)、電極表面現(xiàn)象以及測(cè)定固體電解質(zhì)電導(dǎo)率的重要工具。在光催化研究中最常用到的是Nyquist圖，Nyquist圖圓的直徑可以求反應(yīng)電阻Rct。而對(duì)于光催化研究來(lái)說(shuō)，Nyquist圖上圓弧半徑的相對(duì)大小對(duì)應(yīng)著電荷轉(zhuǎn)移電阻的大小和光生電子－空穴對(duì)的分離效率。阻抗譜圓弧半徑越小，電子－空穴的分離效果越好，光催化反應(yīng)越快。④光電化學(xué)研究：平帶電位法平帶電位（FlatBandPotential）平帶電位是半導(dǎo)體/電解液體系的重要特征，是確定半導(dǎo)體能帶位置的重要物理量。如果對(duì)半導(dǎo)體的電極施加某一電位進(jìn)行極化，通過(guò)改變半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)使之處在平帶狀態(tài)，則這一電位稱之為該半導(dǎo)體的平帶電位。平帶電位是影響光解水制氫材料性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，平帶電位的大小影響到光生電子－空穴的復(fù)合幾率。（2）光催化材料的活性評(píng)價(jià)法①液相降解活性法采用探針?lè)肿?，研究在水溶液中光催化材料在特定波長(zhǎng)光的照射下，對(duì)探針?lè)肿咏到饣钚?，由于光能和光催化材料氧化能力的差異，不同的探針?lè)肿訒?huì)在降解活性上有很大差異。由于中間產(chǎn)物的存在，降解活性不同于礦化活性。染料作為液相光催化反應(yīng)的探針?lè)肿?，?yīng)具有高光穩(wěn)定性，常采用亞甲基藍(lán)MB。亞甲基藍(lán)溶液在665nm有最大的吸光度，容易測(cè)量其脫色率和降解率。對(duì)于強(qiáng)吸附材料，一般采用苯酚作為探針?lè)肿樱靡合嗌V進(jìn)行檢測(cè)。②接觸角評(píng)價(jià)法在特定波長(zhǎng)光照下，測(cè)量水滴在光催化材料表面的接觸角的評(píng)價(jià)方法。光催化活性越好，其接觸角就越小，是評(píng)價(jià)自清潔性能指標(biāo)之一。③抗菌活性評(píng)價(jià)法在特定波長(zhǎng)光照下，研究光催化材料對(duì)細(xì)菌殺滅性能的方法，是評(píng)價(jià)光催化材料抗菌性能的重要指標(biāo)。12.4光催化材料的環(huán)境凈化應(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(guó)防工業(yè)中有獨(dú)特的應(yīng)用。(1)環(huán)保方面的應(yīng)用無(wú)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(wú)機(jī)污染物，如CN-、NO2-、H2S、SO2、NOx等。有機(jī)化合物的光催化降解有機(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(wú)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(yáng)光Cr，PO43-，CO2納米TiO2光催化綠色涂料對(duì)室內(nèi)氨氣等的降解(2)衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用1滅殺細(xì)菌和病毒可以用于生