光催化劑的研究與展望ppt

光催化劑的研究與展望主要內(nèi)容研究目的與意義什么是光催化TiO2光催化劑的研究現(xiàn)狀未來光催化劑的研究方向

定義：光催化是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學反應的物質(zhì)，光催化是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學反應所需的能量，來產(chǎn)生催化作用，使周圍的氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的自由負離子。

光催化光催化材料：包括TiO2,ZnO,SnO2,ZrO2，CdS等多種氧化物硫化物半導體，其中TiO2因其氧化能力強，化學性質(zhì)穩(wěn)定無毒，成為世界上最當紅的納米光觸媒材料。當光能等于或超過半導體材料的帶隙能量時，電子從價帶(VB)激發(fā)到導帶(CB)形成光生電子-空穴。價帶空穴是強氧化劑，而導帶電子是強還原劑?？昭ㄅcH2O或OH-結(jié)合產(chǎn)生化學性質(zhì)極為活潑的自由基基團（HO.

）電子與O2結(jié)合也會產(chǎn)生化學性質(zhì)極為活潑的自由基基團(.O2-,HO.

等)空穴，自由基都有很強的氧化性，能將有機物直接氧化為CO2,H2OA:半導體吸收光，產(chǎn)生電子和空穴的過程B:電子和空穴表面復合過程C:電子和空穴體內(nèi)復合過程D:還原過程E:氧化過程光催化原理光催化劑的歷史和應用1972年，F(xiàn)ujishima(藤島昭教授)在半導體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光催化分解作用，從而開辟了半導體光催化這一新的領域。1977年，Yokota發(fā)現(xiàn)光照條件下，TiO2對丙烯環(huán)氧化具有光催化活性，拓寬了光催化應用范圍，為有機物氧化反應提供了一條新思路。此后，光催化技術(shù)在環(huán)保、衛(wèi)生保健、有機合成等方面的應用研究發(fā)展迅速，半導體光催化成為國際上最活躍的研究領域之一。常見的光催化材料ZnO在水中不穩(wěn)定，會在粒子表面生成Zn(OH)2鐵的氧化物會發(fā)生光腐蝕金屬硫化物在水溶液中不穩(wěn)定，會發(fā)生光腐蝕，且有毒！TiO2WO3Fe2O3ZnOCdSTiO2粉體常用光催化劑TiO2的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)TiOTiO6金紅石型銳鈦礦型P25是70:30％銳鈦礦-金紅石混合物具有銳鈦礦，金紅石及板鈦礦三種晶體結(jié)構(gòu)，只有銳鈦礦結(jié)構(gòu)和金紅石結(jié)構(gòu)具有光催化特性λg(nm)＝1240/Eg(eV)

禁帶寬度Eg=3.2eV,

波長λg=387nm

TiO2

在光催化和光電轉(zhuǎn)換方面應用前景十分廣闊,而阻礙其應用的是它的禁帶寬度(Eg=3.2eV),不能有效地利用太陽能,因此研究開發(fā)可見光響應的TiO2

就成為當前光催化劑研究的關(guān)鍵課題。目前TiO2

可見光化的研究取得了一定進展,金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜、離子注入以及染料光敏化等方法都不同程度地實現(xiàn)了TiO2

可見光化。TiO2催化基理及當前研究現(xiàn)狀

提高TiO2光催化活性的途徑

目前的TiO2光催化劑存在兩個問題：

①效率低②只能吸收紫外光金屬離子摻雜修飾非金屬離子摻雜半導體復合染料光敏化解決方法：過渡金屬離子V、Ni、Rh、Cd、Cu、Fe、Co等稀土金屬離子La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd、Sm等貴金屬離子Au、Ag、Pt、Ru等無機離子以及其它離子N、C、S及鹵素離子摻雜摻雜某些金屬元素后，會在TiO2禁帶中形成新能級，使吸收光譜向可見光方向移動。金屬離子可捕獲導帶中的電子，抑制電子和空穴的復合，但是摻雜濃度過高，金屬離子可能成為電子空穴復合中心。兩者綜合作用的結(jié)果就形成一個波峰，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。貴金屬摻雜貴金屬(如Pt,Pd,Au,Ru等)對半導體催化劑的修飾是通過改變電子分布來實現(xiàn)的。在TiO2表面沉積適量的貴金屬后，由于金屬的費米能級小于TiO2的費米能級，即金屬內(nèi)部和TiO2相應的能級上，電子密度小于TiO2導帶的電子密度。因此，載流子重新分布，電子從TiO2向金屬擴散，直到它們的費米能級相同。電子在金屬上的富集，相應減小了TiO2表面電子密度，從而抑制了電子和空穴的復合，提高TiO2的光催化活性。研究表明，隨Au或Ag等貴金屬含量的增加，摻雜貴金屬的TiO2薄膜對可見光的吸收增加,這是由于納米金屬顆粒的表面等離子共振引起的，其中Au/TiO2尤其顯著。Au/TiO2樣品被可見光照射后,表面等離子共振使金屬粒子周圍的振蕩電場增強,導致從表面態(tài)向TiO2導帶的電子易于激發(fā)，使得Au/TiO2在可見光波段(420-700nm)都出現(xiàn)了陽極光電流。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了光生電子和空穴的分離，提高了光催化效率。Pt的改性效果最好，但成本較高；Ag改性的相對毒性較小，成本較低。因此，Ag沉積改性制備高活性催化劑是未來提高TiO2活性的重要方向之一將窄禁帶半導體與納米TiO2進行表面復合，利用不同能級半導體之間光生載流子的輸運和分離提高TiO2活性。當用能量較小的可見光照射時，窄禁帶半導體發(fā)生帶間躍遷，由于能級差異，產(chǎn)生的光生電子轉(zhuǎn)移至TiO2的導帶，空穴則聚集在窄禁帶半導體的價帶，這樣就使電子與空穴得到有效的分離，從而提高光催化活性。與單一的半導體相比，它們表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和催化活性。無機光敏化劑如CdS、Fe2O3、SnO2、WO3等。半導體復合CdS與TiO2耦合半導體CdS吸收可見光產(chǎn)生電子和空穴，電子會從CdS的導帶流向更穩(wěn)定的TiO2的導帶，并在TiO2的導帶富集，而空穴會富集在CdS的價帶，有效分離光生電子與空穴，提高了光催化結(jié)果。染料光敏化光敏化是延伸TiO2激發(fā)波長范圍的主要途徑之一。通過添加適當?shù)墓饣钚悦艋瘎?以物理或化學吸附于TiO2表面。添加的物質(zhì)在可見光下具有較大的激發(fā)因子,在可見光照射下,吸附態(tài)光活性分子吸收光子后,被激發(fā)產(chǎn)生自由電子,然后激發(fā)態(tài)光活性分子將電子注入到TiO2的導帶上,從而擴大了TiO2激發(fā)波長的范圍,使之能利用可見光來降解有機物。已見報道的敏化劑包括一些貴金屬化的復合化合物如Ru及Pd、Pt、Rh、Au的氯化物及各種有機染料包括葉綠酸、聯(lián)吡啶釕、曙紅、酞菁、紫菜堿、玫瑰紅等。有效的光敏化要求在保證光活性分子吸附前提下,光活性物質(zhì)的激發(fā)態(tài)的電位與TiO2的導帶電位相匹配。大多數(shù)敏化劑在近紅外區(qū)吸收很弱,其吸收譜與太陽光譜還不能很好匹配。另外,敏化劑與污染物之間往往存在吸附競爭,敏化劑自身也可能發(fā)生光降解,這樣隨著敏化劑的不斷被降解,必然要添加更多的敏化劑。因為上述方面的原因,關(guān)于TiO2光活性物質(zhì)光敏化研究的報道有減少趨勢。TiO2光催化劑的可見光化研究,將為人類充分利用太陽能,改善人類生活環(huán)境邁出重要的一步。經(jīng)過世界各國科學家的共同努力,TiO2可見光化研究雖然已經(jīng)取得了一定的進展,對TiO2的各種改性方法或多或少都提高了太陽能的利用率。但從目前的研究成果看,可見光催化或能量轉(zhuǎn)換效率還普遍偏低,對各種改性方法的光催化機理存在爭議,并且由于光催化反應體系的復雜性，動力學研究存在許多困難，實際應用過程中載體性質(zhì)與負載方法對光催化劑活性的影響等問題仍需進一步深入探討。

因此可見光TiO2光催化劑的研制仍將是今后的研究熱點?？偨Y(jié)今后在基礎研究方面,如TiO2光催化劑的機理,納米TiO2制備技術(shù)和設備,納米TiO2結(jié)構(gòu)與物理、化學性能之間的關(guān)系,納米TiO2粉體表征方法、晶型、粒徑的有效控制理論等方面應