催化原理經(jīng)典

光催化原理與應用Principles

and

Applications

of

Photocatalysis福州大學光催化研究所國家環(huán)境光催化工程技術研究中心當前第1頁\共有87頁\編于星期四\19點李旦振、王緒緒、劉平、付賢智一、光催化簡介－高學性科能發(fā)復展合背環(huán)景境凈化材料及其應用的基礎研究光催化技術：

最有前景的新技術之一環(huán)境污染當前第5頁\共有87頁\編于星期四\19點能源緊缺一、光催化簡介高－性學能科復發(fā)合展環(huán)背境景凈化材料及其應用的基礎研究光催化技術是近年來迅速發(fā)展起來的可以利用太陽能進行環(huán)境凈化和能源轉(zhuǎn)化的新技術。H2OH2,

O2CO2，

H2OPractical

ApplicationsFundamental

Research將低密度的太陽能轉(zhuǎn)化為高密度的化學能（氫能）通過光催化反應分解各種污染物和殺滅細菌與病毒Organics（甲醛、苯、PCB、二惡英、染料、農(nóng)藥…）能源光催化環(huán)境光催化價帶導帶CO2,

CH4當前第6頁\共有87頁\編于星期四\19點有用化學品光催化合成一、光催化簡介高－性學能科復基合礎環(huán)與境原凈理化材料及其應用的基礎研究光催化學科是催化化學、光電化學、半導體物理、材料科學和環(huán)境科學等多學科交叉的新興研究領域。還原價帶當前第7頁\共有87頁\編于星期四\19點導帶有機污染物氧化多相光催化過程本質(zhì)上是光誘導的氧化－還原反應過程22H

O

→

H

+

?

O2C

H

+

7

?

O

→

h6vCO

+

3H

O6

6

2

2

2催化劑hv催化劑一、光催化簡介高－性技能術復特合征環(huán)境凈化材料及其應用的基礎研究吸附技術光催化技術吸附技術生物降解技術催化氧化技術高溫焚燒技術不能分解污染物、吸附飽和使用周期短、二次污染對難生物降解污染物無能為力處理條件要求苛刻系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較差能耗較高、催化劑中毒反應副產(chǎn)物二次污染能耗高、產(chǎn)物二次污染光催化環(huán)保技術的特征：可以直接利用太陽光凈化環(huán)境——綠色、節(jié)能室溫下徹底降解污染物——特別是有毒難降解有機污染物…有效殺滅細菌、病毒——包括典型致病菌、SARS、流感病毒…安全、無二次污染——污染物被徹底氧化分解為CO、H

O等無害產(chǎn)物2

2廣譜、長效——上百種應優(yōu)先考慮的污染物幾乎都可被降解，催化劑長期使用當前第8頁\共有87頁\編于星期四\19點一、光催化簡介高－性應能用復領合域環(huán)境凈化材料及其應用的基礎研究醫(yī)療衛(wèi)生建材行業(yè)光能轉(zhuǎn)化化學工業(yè)生物制藥國防軍事印染行業(yè)光催化技術應用家用電器當前第9頁\共有87頁\編于星期四\19點光催化技術在眾多領域具有廣闊的應用前景：一、光催化簡介－高學性能科復前合沿環(huán)境凈化材料及其應用的基礎研究難題一

:

量子效率低

(～4%)難題二

:

太陽光利用低

(～5%)難題三:

工程化關鍵技術(反應系統(tǒng)設計、催化劑負載、壽命…)核心：高效光催化劑及構(gòu)-效關系關鍵：提高光催化過程效率的途徑本質(zhì)：光催化過程的作用機理技術難點科學問題還原有機污染物氧化TiO2●從理論和應用上解決這些問題是國際光催化領域的研究前沿與熱點光催化應用的重大科學與技術難題3.2

eV當前第10頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合總環(huán)體境進凈展化情材況料及其應用的基礎研究近年來國內(nèi)外針對光催化領域的重大科學與技術問題，開展了系統(tǒng)深入研究，在提高光催化過程效率、實現(xiàn)可見光光催化過程和解決工程化關鍵技術問題等方面有所突破，光催化技術應用領域不斷拓展。當前第11頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)總境體凈化進材展料情及況其應用的基礎研究*據(jù)ISI數(shù)據(jù)庫檢索，包括：ARTICLE,REVIEW,LETTER,NEWS

ITEM,EDITORIALMATERIAL,CORRECTION

等。國際光催化基礎研究十分活躍，論文數(shù)量持續(xù)增加！●當前第12頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)總境體凈進化展材情料況及其應用的基礎研究中國光催化研究已進入國際前沿，2005年以來我國的光催化研究論文數(shù)已經(jīng)躍居世界第一。2008年發(fā)表論文的數(shù)量：中國>日本>美國>韓國…當前第13頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)新境型凈化光材催料化及劑其應用的基礎研究1.光催化的核心是光催化劑，近年來新型光催化劑研究取得重要進展。采用多種先進的方法和手段，設計并制備出一系列具有高效、高穩(wěn)定性和可見光誘導性能的新型光催化劑，大大拓展

了光催化劑的多元性和應用可選擇性。能帶調(diào)控表面修飾半導體復合離子摻雜固溶體形成量子尺寸效應水熱合成模板劑合成微波溶劑熱合成…

…結(jié)構(gòu)調(diào)控組成調(diào)控提高光催化性能活性當前第14頁\共有87頁\編于星期四\19點活性穩(wěn)定性可見光誘導二、光化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈化化材劑料及其應用的基礎研究TiO2基新型光

化劑納米固體超強酸型光

化劑SO

4

2

-/TiO

2

,

SO

4

2

-/SiO

2

-TiO

2

,

Pt-

SO

4

2

-/

TiO

2窄帶無機半導體敏化型可見光光

化劑In

VO

4

/TiO

2

，La

VO

4

/TiO

2

，PS/TiO

2

，PZT/TiO

2金屬或金屬離子摻雜型光

化劑Pt/TiO

2

，

M

3

+

/TiO

2

(M

3

+

=

Gd

3

+

，La

3

+

，Pr3

+

)非金屬摻雜型光

化劑TiO

2

-

x

Nx

/ZrO

2

，I7

+

-I-/TiO

2

，

，具有分級結(jié)構(gòu)的TiO2中空纖維光

化劑具有類分子篩結(jié)構(gòu)的TiO2光

化劑非TiO2新型光

化劑非金屬聚合物可見光光

化劑g-C

3

N

4

，mpg-C

3

N

4

，F(xiàn)e/

g-C

3

N

4單一和多元金屬氧化物納米光

化劑β-Ga

2

O

3

，Zn

2

Ge

O

4

，Bi2

WO

6

，Pb

Bi2

Nb

2

O

9

，Bi2

Mo

O

6

，

Sr2

Sb

2

O

7

，

Zn

2

Sn

O

4

，

Ca

Sn

O

3固溶體型納米晶可見光光

化劑In(OH)y

Sz

，Znx

Cd

1

-

x

S

，M

2

+

/

In(OH)y

Sz

(Cu,Zn)金屬氫氧化物/硫化物納米光

化劑In(OH)3

，

In

OOH

，

Zn

In

2

S

4

，

Sb

2

S

3分子篩光

化劑Fe/HZSM-5

，

Ag/ZSM-5

，F(xiàn)e/Y，Ti/MCM-41Nafion膜負載的納米光

化劑Cd

S/Nanfion，Zn

O/Nafion設計制備的兩大類、十二個系列的40多種新型光

化劑：當前第15頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈催化材劑料及其應用的基礎研究例1納米固體超強酸型高效光催化劑（SO42-/TiO2）解決的關鍵問題－TiO2光催化劑量子效率低通過超強酸中心捕獲光生電子和納米量子尺寸效應，有效抑制了光生電子－空穴的重新復合，實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的光催化過程。超強酸化效應：當前第16頁\共有87頁\編于星期四\19點光生載流子有效分離；●氧化-還原能力增強；O2吸附能力增強；

●

載流子遷移距離縮短；抑制晶相轉(zhuǎn)變。

●

比表面積增大。量子尺寸效應：Adv.

Mater.,

2005

,

17

,

99J.

Photochem.

Photobiol.

A

,

2006

,

179

,

339Micropor.Mesopor.Mater.,

2008

,

110

,

543采用制備新方法，研制出具有多孔性、大比表面、高銳鈦礦含量和納米晶粒度等結(jié)構(gòu)特征的新型固體超強酸光化劑(發(fā)明專利ZL

98115808.0)。與國際標準光

化劑（德國

Degussa

P-25

TiO2）相比，光

化活性提高1-3倍，并實現(xiàn)了生產(chǎn)和實際應用?！瘎┍缺砻娣e（m

2

/

g）孔體積（ml/

g）銳鈦礦含量（%）平均晶粒度（nm）酸強度（H

0

）氧吸附量(mmolg-

1

)光

化活性（%）甲醛溴代甲烷乙烯SO

42

-/

TiO

21540

.211005

.6≤

-

12

.440

.5496

.044

.935

.8TiO

2

(P-

25

)50—7530≥

-

3

.00

.3146

.810

.912

.8二、光化基礎研高究性進能復－合新環(huán)境型凈光化材化料劑及其應用的基礎研究當前第17頁\共有87頁\編于星期四\19點二三、、已光開催展的化工基作礎與成高研果性究—能應進復用展基合礎－環(huán)研新境究型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究已有方法制備的TiO2基可見光光催化劑（有機染料敏化、非金屬元素N、B等摻雜）容易失活，難以實際應用。例2穩(wěn)定高效的異質(zhì)結(jié)型可見光光催化劑（InVO4

/TiO2）※TiO

2

(101

)In

VO

4

(200

)TiO

2In

VO

44007000.09TiO

N2

-

x

xIn

VO

4/4/T

i

O

2In

VO40.00

TiO2500

600Wavelength

(nm)0.06F(R)0.03采用穩(wěn)定的窄帶無機半導體4

2InVO與TiO形成異質(zhì)結(jié),使二者能帶耦合，實現(xiàn)了穩(wěn)定、高效、可見光誘導的光催化過程。解決的關鍵問題－TiO2不能吸收利用可見光；TiO2基可見光光催化劑不穩(wěn)定（失活）J.

Mater.

Chem.,

2006,

16,

1116J.

Photochem.

Photobiol.

A,

2008

,

193

,

213當前第18頁\共有87頁\編于星期四\19點Photochem.

Photobiol.

Sci.,

2006,

5,

653Environ.

Sci.

Technol.

,

2009

,

43

,

4164二三、、光已開催展化的工基作礎與成高研果性究—究能應進用復展基合礎－環(huán)研新究境型凈光化催材催料化及劑其應用的基礎研究可見光下（450≤λ≤900

nm），能將苯等多種污染物高效降解至CO2，并具有很好的活性穩(wěn)定性。已應用于光催化環(huán)保涂料中（發(fā)明專利ZL03136596.5）。020Conversio4n0(%)60Conversion環(huán)己烷

乙苯

甲苯

丙酮Produced

CO2(ppm)Produced

CO20204060Conversion

of

benzene

(%)ConversionProduced

CO

21st

run

2nd

run

3rd

run

4th

run

5th

runProduced

CO(ppm)2苯※0280204060可見光In

VO

4

/TiO

2當前第19頁\共有87頁\編于星期四\19點Conversion

of

benzene

(%)4

6Reaction

Time

(h)紫外光TiO

2

(P

25)4％49％二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)新境型凈光化材催料化及劑其應用的基礎研究例3P區(qū)金屬氧化物/氫氧化物新型納米光催化劑※Environ.

Sci.

Technol.,

2006

,

40

,

5799

J.

Catal.,

2007

,

250

(

1

):

12

-

18J.

Phy.

Chem.

C,

2007,111,18348J.

Phys.

Chem.

C,

2008,

112,

5850Environ.

Sci.

Technol.，2008

,

42

,

7387New

J.

Chem.,

2008

,

32

,

1843研究發(fā)現(xiàn)一元或多元寬帶隙p區(qū)金屬氧化物和氫氧化物對難降解的苯系污染物具有優(yōu)異的光催化氧化活性和抗失活能力，是一類新型高效光催化劑。β－Ga2O3、NiGa2O4、ZnGa2O4Zn2GeO4、Bi2GeO5Sr2Sb2O7In2O3、In(OH)3、InOOH當前第20頁\共有87頁\編于星期四\19點二三、、已光開展化的基工基作礎與研成高究果性—進能應展用復基－合礎新環(huán)研究境型凈光化材化料劑及其應用的基礎研究解決的關鍵問題—TiO2

難以降解苯系污染物，且容易失活活性順序:β-Ga2

O3

>γ-Ga2O3

>α-Ga2O3通過晶相結(jié)構(gòu)調(diào)控，研制出具有介孔結(jié)構(gòu)的納米β－Ga2

O3

，對苯系污染物具有優(yōu)異光化活性、深度氧化能力和活性穩(wěn)定性。β-β-與P25-TiO2相比，β-Ga2O3降解苯的光反應80小時未發(fā)生失活現(xiàn)象?；钚蕴岣吡私?0倍；礦化率提高了22倍，※非TiO2新型高效光化劑——納米β－Ga2O3當前第21頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光

化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈化化材劑料及其應用的基礎研究Zn2GeO4

納米光

化劑※

模板水熱法合成的Zn2

GeO4納米棒對苯、甲苯、乙苯表現(xiàn)出優(yōu)異的光

化氧化性能，120

h連續(xù)反應后活性依然穩(wěn)定。與TiO2

(P25)和體相Zn2

GeO4相比，納米Zn2GeO4光化活性分別提高6－16倍和5－17倍?！斍暗?2頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究例4固溶體型納米晶可見光光催化劑J.

Phys.

Chem.

C，2007

,

111

,

4727J.

Phys.

Chem.

C，2008

,

112

,

14943J.

Phys.

Chem.

C，2008

,

112

,

16046※研究發(fā)現(xiàn)，通過形成固溶體可有效調(diào)控寬帶隙半導體的能帶結(jié)構(gòu)，使其吸收光譜紅移至可見光區(qū)，對生物難降解的染料具有優(yōu)異的光催化氧化分解活性，是一類新型高效可見光光催化劑。In(OH)ySzZnxCd1-xSM2

+

/

In(OH)ySz

(M=Cu,Zn)當前第23頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究50

nm固溶體型可見光光催化劑—In(OH)y

Sz以In(NO3

)3、乙二胺、硫脲為原料，水熱合成出粒徑大約為25nm、禁帶寬度大約2.4eV、可見光活潑的In(OH)x

Sy固溶體納米晶體。XRDTEMIn(OH)xSy(220)當前第24頁\共有87頁\編于星期四\19點5

nm二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究SampleNoS/

In

insyntheticsolutionS/

In

insolidsolutionCrystallitesize

(nm)SpecificSurfacearea

(m

2

/

g)100362520

.50

.04243431

.00

.066255041

.50

.09373052

.00

.1432512In(OH)y

Sz固溶體的形成，使吸收帶邊移到可見光區(qū)。DRSXPS當前第25頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)新境凈型化光材催料化及劑其應用的基礎研究In(OH)3中摻入S，形成了S

3px和S

3py+3pz的能級。In(OH)3當前第26頁\共有87頁\編于星期四\19點In(OH)2.75S0.25量化計算In(OH)ySz和In(OH)3能帶結(jié)構(gòu)二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)新境凈型化光材催料化及劑其應用的基礎研究可見光下（λ>420nm），In(OH)ySz固溶體不僅能徹底地光降解RhB，而且也能有效地光催化分解丙酮空氣污染物。Possible

mechanism

of

the

visible-light-driven

photo-catalysis

onIn(OH)ySz

solid

solutions當前第27頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈催化材化料劑及其應用的基礎研究例5ZnIn2S4介孔微球可見光光催化劑萬壽菊狀微球采用低溫水熱合成。禁帶寬度2.2

eV,比表面積60

m2/g，最可幾孔徑～3

nm。優(yōu)點：無需模板劑、表面活性劑和有機溶劑，低溫。Inorg.

Chem.，2008

,

9766

-

97721mmol

ZnCl2+當前第28頁\共有87頁\編于星期四\19點32mmol

InCl+6mmol

TAA(硫代乙酰胺）+100mL水，pH

2～380℃,

6

h二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究當前第29頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)新境凈型化光材催料化及劑其應用的基礎研究該多孔微球?qū)τ诩谆缺憩F(xiàn)出很好的可見光光催化降解活性（λ>420nm）。TiO

2

-

x

Nx當前第30頁\共有87頁\編于星期四\19點Zn

In

2

S

4二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)新境型凈光化催材化料及劑其應用的基礎研究該研究論文2008年10月在美國化學會網(wǎng)站主頁的“News

andResearch”欄目報道。當前第31頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究例6非金屬聚合物半導體－新型可見光光催化劑（g-C3N4）迄今所報道的光催化劑都是含有金屬組元的材料。最近研究發(fā)現(xiàn)，不含金屬的聚合物半導體石墨相氮化碳（g-C

N

）具有3

4可見光光催化活性。將其引入光催化領域，開展了初步研究，拓展了光催化研究特別是光催化材料研究的新方向。g-C3N4●當前第32頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究石墨相氮化碳由于碳和氮是sp2雜化，其帶隙最小Liu

and

Wentzcowitch,

PRB

50

,

R10342

(1994).g-C3N4Liu

and

Cohen,

Science

245

,

841

(1989).?-C3N4Kroke

et

al.,

New

J.

Chem

26

,

508

(2002).g-C6N8Vodak

et

al.,

Chem.

Eur.

J

9

,

4197

(2003).3D-C3N4-C3N4Cubic

-C3N4Molina,

B.

et

al.

Modern

Phys.

Lett.

B

13,

193-201(1999)Molina,

B.

et

al.

Modern

Phys.

Lett.

B

13,

193-201(1999)氮化碳材料的同素異形體當前第33頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈催化催材化料劑及其應用的基礎研究Graphitic

carbon

nitride石墨相氮化碳CyanamideDicyandiamideMelem氰胺雙氰胺Melamine三聚氰胺蜜勒胺Polymericmelem聚蜜勒胺g-C3

N4石墨相氮化碳的化學合成熱誘導自聚合熱分析525

℃當前第34頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈化催材化料劑及其應用的基礎研究能帶結(jié)構(gòu)與水的氧化-還原電極電位匹配晶相結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)-DFT計算導帶價帶能帶結(jié)構(gòu)-電化學表征（～

460

nm）當前第35頁\共有87頁\編于星期四\19點石墨相氮化碳的晶相與能帶結(jié)構(gòu)二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究石墨相氮化碳的光吸收和光電特性光吸收特性零偏壓光電轉(zhuǎn)換特性l

>

420

nm-0.16-0.08-0.12-0.040.000.04offIph(uA)-0.20Light-dark

cycles

FTOg-C

N

/FTO3

4on光電流當前第36頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈催化化材劑料及其應用的基礎研究石墨相氮化碳的光催化反應性能（1）光催化分解水反應H2OH2＋O2可見光（hv>420

nm)g-C3N4l

>

420

nml

>

420

nmH2產(chǎn)氫產(chǎn)氧當前第37頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能復－合新環(huán)型境光凈催化催材化料劑及其應用的基礎研究（2）醇類光催化選擇性氧化反應R1R2Conv.(%)Sel.(%)1PhenylH57>992PhenylCH377>9934-MethlphenylH869044-ChlorophenylH79>9954-MethoxyphenylH1009564-MethylbenzoateH80>997PhCH=CH2H92648PentylCH335>999PhenylCyclopropyl3290苯甲醇苯甲醛hv

>420

nmg-C3N4,

O2（醇）當前第38頁\共有87頁\編于星期四\19點（醛、酮）二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈催化化材劑料及其應用的基礎研究（3）胺類光催化氧化偶聯(lián)反應N

H

2Ng-C3N4

,

O2hv

>420

nm

，80

oC當前第39頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈催化化材劑料及其應用的基礎研究（4）光催化選擇性氧化苯合成苯酚g-C3N4

,

H2O2hv

>420

nm

，60

oC當前第40頁\共有87頁\編于星期四\19點Direct

metal-

free

oxidation

of

benzene

to

phenol

with

H

2O

2

in

neutral

conditionCatalysthvt

(h)BenzeneConv.(%)1g-C3N4-402g-C3N4+403mpg-C3N4-40.14mpg-C3N4+42.0二、光催化基礎研高究性進能復合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究（5）染料廢水光催化降解反應有效分解水中羅丹明B、甲基橙、亞甲基蘭、對羥基偶氮苯等染料。CO2

＋H2O可見光（hv>420

nm)g-C3N4RhBg-C3N4+O2g-C3N4+H2O2當前第41頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能復合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究石墨相氮化碳光催化劑的初步改性拓寬光譜響應范圍、提高光催化效率結(jié)構(gòu)調(diào)控金屬修飾分子設計g-C3N4當前第42頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能復合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究C

a

rb

o

n

n

itrid

e

po

ly

m

e

r光催化性能5倍g-C3N4的分子設計與合成采用共聚合法調(diào)控氮化碳的組成、結(jié)構(gòu)和性能巴比妥酸＋二聚氰胺460→650

nm光吸收當前第43頁\共有87頁\編于星期四\19點氰胺550

o

C-

S

i

O

2N

H

4

HF

2550

oC-

Si

O

2550

o

CNH4

HF

2SiO212

nmSBA-

15ompg-C3

N

4239

m

2

/gg-C3N4ompg-C3N4mpg-C3N4g-C3N4的孔結(jié)構(gòu)調(diào)控采用模板法制備多孔性、大比表面的氮化碳材料，提高效率100

nm100

nm介孔結(jié)構(gòu)mpg-

C

N3

467

-

373

m

2

/

g介孔分子篩g-C3N48

m

2

/g產(chǎn)氫活性(μmol/h)光

化效率提高8倍二、光化基礎研高究性進能復合－環(huán)新境型凈光化材化料劑及其應用的基礎研究當前第44頁\共有87頁\編于星期四\19點g-C3N4的金屬組分修飾200

nm(

A

)負載化SBA-15光催化性能(苯→苯酚)NNNNNNNNN

NN

NNNNNNNNNNFe-g-C3N4N

NFe

3

+

N

N

NN金屬離子絡合配位,

g-C3N4

→

Fe-g-C3N4→負載化Fe含量增加CNF

e4Fe-g-C

3

N

4+4

.85Fe-g-C

3

N

4

/

SBA-15-6

.70

.3

μm0

.3

μm0

.3

μm6Fe-g-C

3

N

4

/

SBA-15+11

.9CatalysthvC

6

H

6

轉(zhuǎn)化率(%)1g-C

3

N

4+02mpg-C

3

N

4+23Fe-g-C

3

N

4-1

.8二、光催化基礎研究進展－新型光催化劑當前第45頁\共有87頁\編于星期四\19點g-C3N4的金屬組分修飾金屬表面修飾，

g-C3N4

→

Pt/g-C3N4

→

Pt/mpg-C3N4gg-

C-3NC4

3N4Pt/Ptgtg/

g-g--

CCCC3

N34

N4Pt二、光催化基礎研究進展－新型光催化劑當前第46頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈催化化材劑料及其應用的基礎研究當前第47頁\共有87頁\編于星期四\19點Nature

Materials,8,

76-80

(2009)J.

Am.

Chem.

Soc.,

131,

1680-1681（2009）J.

Am.

Chem.

Soc.,

131,

11658–11659

(2009)Adv.

Mater.，21,

1609–1612（2009）J.

Phys.

Chem.

C,

113,

4940–4947

(2009)Chem.

Mater.,

21,

4093–4095

(2009)Angew.

Chem.

Int.

Ed.,

49,

441–

444

(2010)●上述初步研究結(jié)果已發(fā)表在：二、光催化基礎研高究性進能復合－環(huán)新境型凈光化催材化料劑及其應用的基礎研究論文被美國化學會的Chemical&Engineering

News

專門介紹Nature

Materials論文發(fā)表一年半，他引41次“氮化碳催化劑便宜地制造氫氣”引起國際同行關注：當前第48頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合新環(huán)型境光凈催化化材劑料及其應用的基礎研究吸收可見光；高穩(wěn)定性；不含金屬成份,廉價易得；結(jié)構(gòu)與性能易于調(diào)控；易于成膜和集成化，重量輕。值得進一步深入研究當前第49頁\共有87頁\編于星期四\19點初步研究結(jié)果表明，氮化碳聚合物半導體是一類有希望的新型可見光光催 化材料，具有許多獨特的性能，將豐富和拓展光催化領域的研究內(nèi)容，在 眾多方面具有廣闊的應用前景。二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)反境應凈機化材理料及其應用的基礎研究分子篩光催化劑的活性中心研究光催化氧化過程的H2-O2耦合效應研究界面間電子轉(zhuǎn)移對光催化反應性能的影響研究光催化反應機理和活性中心研究當前第50頁\共有87頁\編于星期四\19點2、光催化反應機理的研究取得進展，初步闡明了界面間電荷轉(zhuǎn)移機理和分子篩光催化劑的活性中心結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，并對影響光催化反應速率的關鍵因素有了進一步認識。二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)反境應凈機化理材料及其應用的基礎研究含F(xiàn)e的HZSM-5分子篩光催化活性中心的研究在以前的研究中我們發(fā)現(xiàn)商品HZSM-5具有光催化活性,并證實該活性與沸石中所含的雜質(zhì)

Fe有關。進一步研究發(fā)現(xiàn)：不同方法制備的含F(xiàn)e的HZSM-5分子篩其光催化活性隨Fe含量變化的規(guī)律不同。這說明光催化性能與Fe在分子篩中的化學狀態(tài)和結(jié)構(gòu)有關。商品HZSM-5:

活性隨雜質(zhì)鐵含量增加而增加用離子交換引入Fe:活性隨鐵含量增加幾乎不變水熱合成引入Fe:

活性隨鐵含量增加逐漸降低J.

Phy.

Chem.

C.,

2007

,

111

,

5195

-

5202Catal.

Today,

2004,

93-95,

851例1當前第51頁\共有87頁\編于星期四\19點分子篩光催化劑的活性中心研究二、光催化基礎研高究性進能展復－合反環(huán)境應凈機化理材料及其應用的基礎研究UV-RamanEPRXAFSFe物種在ZSM-5中可能的化學結(jié)構(gòu)對HZSM-5中Fe的化學狀態(tài)及局域結(jié)構(gòu)進行了詳細的表征，結(jié)果表明有多種類型Fe物種存在。當前第52頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光 化基礎研高究性進能展復－合反環(huán)應境機凈理化材料及其應用的基礎研究UV-Raman

spectra譜帶面積與光化活性的關聯(lián)化活性有較好的關聯(lián)，是該分子篩的光化活性中心當前第53頁\共有87頁\編于星期四\19點表面孤立四配位的Fe3+物種與光。二、光化基礎高研性究能進復展合－環(huán)反境應凈機化理材料及其應用的基礎研究含F(xiàn)e的HZSM-5上乙烯光

化氧化機理化反應機理。該工作對認識其它光化劑的分子作用機制也有借鑒作當前第54頁\共有87頁\編于星期四\19點在分子水平上提出了光用。電子－空穴對激發(fā)態(tài)二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)反境應凈化機材理料及其應用的基礎研究例2光催化氧化過程的H2-O2耦合效應研究Chem.

Comm

.,

2004

,

2304

-2305New

J.

Chem.,

2005,

29,

1514-1519Environ.

Sci.

Technol.,

2008

,

42

,

2130

–2135實驗發(fā)現(xiàn)：在富氧的光催化氧化體系中加入少量還原性氣體H2，能極大地提高光催化反應速率，光催化活性提高近兩個數(shù)量級，苯100%轉(zhuǎn)化成

CO2和H2O，并有效抑制了光催化劑的失活。當前第55頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合反環(huán)應境機凈理化材料及其應用的基礎研究甲苯當前第56頁\共有87頁\編于星期四\19點乙苯環(huán)己烷

丙酮二、光催化基礎高研性究能進復展合－環(huán)反境應凈機化理材料及其應用的基礎研究H

-O2

2O2當前第57頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合反環(huán)應境機凈理化材料及其應用的基礎研究TiO2

(UV-irradiated)

→

e-

+

h+Os-Pt

+

e-

→

Os-Hs-

Pt

+

h+

→

Hs+Os-

+

Hs+

→

HO?Os-

+

Hs-Pt

→

HO-當前第58頁\共有87頁\編于星期四\19點HO-

+

h+Hs

+

HO?→HO?→

H2O(8)

Os-Pt

+

Hs-Pt

→

HO?H2/O2耦合效應—光生載流子雙捕獲協(xié)同作用機理二、光催化基礎研高究性進能展復－合反環(huán)應境機凈理化材料及其應用的基礎研究例3負載型光催化劑的載體效應研究—TiO2薄膜與導電基底間電子轉(zhuǎn)移對光催化性能的影響油酸的光催化分解乙烯的光催化分解產(chǎn)生這種差別的原因與基底的電子功函數(shù)有關，也與有機物的分解機理有關.J.

Phys.

Chem.

B

,

2006

,

110

,

13470

-13467TiO

2

/

ITO/

glass

＞

TiO

2

/glass＞TiO

2

/

AlTi

O

/

Al

＞TiO

/glass

＞TiO

/ITO/glass2

2

2AlglassITO/

glassTiO

2

/

AlTiO

/

glass2TiO

/

ITO/

glass2Al,

glass,

ITO/

glassTiO

2

/

AlTiO

2

/

glassTiO

2

/

ITO/

glass當前第59頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合反環(huán)應境機凈理化材料及其應用的基礎研究4.3Al17.63.6ITO16.74.5TiO2

/Al17.43.8TiO2

/ITO/glass17.24.0Workfunction

(

Φ)

/eVEnd

edgeenergy

/eVSamplesWork

functions

(

Φ)

determined

by

UPSAg

16.9功函數(shù)（電子逸出功）：ITO/glass>

TiO

2

>

AleTiO

2

/ITO界面上，Schottky勢壘形成，電子由2TiO轉(zhuǎn)移到ITO上。eTiO

2

/Al界面上，形成了Ohm接觸，電子從Al片上轉(zhuǎn)移到TiO

2

上。當前第60頁\共有87頁\編于星期四\19點二、光催化基礎研高究性進能展復－合反環(huán)應境機凈理化材料及其應用的基礎研究油酸的降解主要通過空穴或HO·進行，因此活性順序：TiO2/ITO/glass

＞

TiO2/glass

＞TiO2/Al乙烯的降解主要通過電子進行，因此活性順序：

TiO2/Al＞TiO2/glass＞TiO2/ITO/glass光生空穴壽命不變eTiO2glassTiO2ITO/glass當前第61頁\共有87頁\編于星期四\19點光生空穴壽命增長TiO2Al光生空穴壽命減短ee×XTiO2

膜與導電載體基底間的電子轉(zhuǎn)移影響光生載流子的捕獲和復合二、光催化基礎研高究性進能展復展合－環(huán)反境應凈機化理材料及其應用的基礎研究Pt作為電子受體，摻Pt到TiO2

對光生空穴起作用的光催化反應有利。KI作為電子給體，摻KI到TiO2

對光生電子起作用的光催化反應有利。該研究為光催化劑載體選擇和摻雜組分選擇提供了依據(jù)。此規(guī)律可以解釋Pt和KI摻雜對TiO2

光催化分解油酸和乙烯的影響TiO

2

-

KITiO

2

-

PtTiO

2oleic

acidethylene當前第62頁\共有87頁\編于星期四\19點TiO

2

-

KITiO

2TiO

2

-

Pt三、光催化應用研高究性進能展復展合－環(huán)總境體凈進化展材情料況及其應用的基礎研究日本專利每年突破1000件當前第63頁\共有87頁\編于星期四\19點專利光催化環(huán)保技術已在眾多領域得到實際應用，輻射行業(yè)非常廣泛，全球已形成了一個新興高技術產(chǎn)業(yè)－光催化環(huán)保產(chǎn)業(yè)?！?/p>

發(fā)達國家政府及企業(yè)高度重視，投入了大量經(jīng)費和研究力量；※新型高效光催化劑、高效光催化反應器設計、光源傳輸和控制系統(tǒng)、光催化劑負載技術等應用關鍵技術突破；※※開發(fā)出適用于各種應用環(huán)境的工程化高效光催化反應系統(tǒng)與設備；光催化技術的應用領域不斷拓展、新產(chǎn)品不斷推出。光催化應用技術研究與開發(fā)迅速發(fā)展，關鍵技術不斷取得突破●三、光催化應用研高究性進能展復－合總環(huán)體境情凈況化材料及其應用的基礎研究●當前第64頁\共有87頁\編于星期四\19點新興光催化環(huán)保產(chǎn)業(yè)已在發(fā)達國家形成規(guī)模并呈現(xiàn)急劇增長的發(fā)展態(tài)勢?！駠鴥?nèi)光催化環(huán)保產(chǎn)業(yè)起步晚、發(fā)展迅速、初具規(guī)模。由于我國環(huán)境污染形勢更加嚴峻，對先進環(huán)保技術的需求更加迫切，市場前景更為廣闊。三、光催化應用研高究性進能展復－合應環(huán)用境示凈例化材料及其應用的基礎研究室內(nèi)空氣凈化大氣凈化

土壤凈化當前第65頁\共有87頁\編于星期四\19點三、光催化應用研高究性進能展復－合應環(huán)用境示凈例化材料及其應用的基礎研究飲用水凈化工業(yè)污水處理當前第66頁\共有87頁\編于星期四\19點三、光催化應用研高究性進能展復－合應環(huán)用境示凈例化材料及其應用的基礎研究國防軍事當前第67頁\共有87頁\編于星期四\19點三、光催化應用研究進展－應用示例自清潔建筑材料自清潔抗霧玻璃當前第68頁\共有87頁\編于星期四\19點三、光催化應用研高究性進能展復展合－環(huán)應境用凈示化例材料及其應用的基礎研究醫(yī)療衛(wèi)生當前第69頁\共有87頁\編于星期四\19點三、光催化應用研高究性進能展復展合－環(huán)福境州凈大化學材料及其應用的基礎研究當前第70頁\共有87頁\編于星期四\19點研制開發(fā)出多種提高光催化過程效率和解決光催化應用工程化關鍵問題的新技術、新方法和新裝置，形成了比較完整和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光催化技術體系。光催化反應技術：反應系統(tǒng)與裝置：光催化劑負載技術：基于H2

－O2耦合效應的高效光催化反應技術微波－光催化空氣凈化技術光－磁協(xié)同催化技術光－熱協(xié)同作用高選擇性氧化富氫氣體中CO的技術負載化單分散納米晶體制備技術金屬基材表面光催化膜電泳制備方法光凈化環(huán)保型涂料的制備與涂覆技術高壓絕緣子表面涂層噴涂工藝及裝置高效消除空氣或水中污染物的復合光催化反應系統(tǒng)具有蜂巢結(jié)構(gòu)的光熱耦合空氣凈化器臭氧－光催化空氣凈化器三、光催化應用研高究性進能展復－合福環(huán)州境大凈學化材料及其應用的基礎研究（1）新型高效光催化劑及其工業(yè)生產(chǎn)技術開發(fā)研制出系列納米高效光催化劑（光催化涂料），設計了生產(chǎn)工藝流程，開發(fā)出工業(yè)生產(chǎn)新技術。設計并建成可年產(chǎn)300噸納米光催化劑生產(chǎn)線，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品得到廣泛應用。當前第71頁\共有87頁\編于星期四\19點三、光催化應用研高究性進能展復－合福環(huán)州境大凈化學材料及其應用的基礎研究納米固體超強酸光催化劑納米溶膠光催化涂料負載型光催化劑當前第72頁\共有87頁\編于星期四\19點專用光催化劑部分光催化劑產(chǎn)品三、光催化應用研高究性進能展復展合－環(huán)福境州凈大化學材料及其應用的基礎研究（2）光催化空氣凈化器及其工業(yè)生產(chǎn)技術開發(fā)采用自制負載型固體超強酸光催化劑和開發(fā)的高效光催化反應技術，研制出用于室內(nèi)空氣凈化的光催化空氣凈化器，對室內(nèi)空氣中典型污染物和細菌具有優(yōu)異的凈化效果，其性能大大優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。當前第73頁\共有87頁\編于星期四\19點凈化器型號生產(chǎn)廠家主要功能光催化效率（C2

HCl3

去除率%）YKJ-180中國漳州萬利達光催化科技有限公司分解有機污染物、去除有害無機氣體、殺菌、除煙塵、清新空氣96.9ACEF-3AS-W日本大氣工業(yè)株式會社分解有機污染物、除煙塵22.9三、光催化應用高研性究能復展合－環(huán)福境州凈化大材學料及其應用的基礎研究開發(fā)了光催化空氣凈化器工業(yè)生產(chǎn)技術，與相關公司合作設計建成了可年產(chǎn)30萬臺光催化空氣凈化器生產(chǎn)線，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。當前第74頁\共有87頁\編于星期四\19點三、光催化應用研高究性進能復－合福環(huán)州境大凈學化材料及其應用的基礎研究產(chǎn)品出口美國、俄羅斯、英國、德國、澳大利亞等國家；被國家經(jīng)貿(mào)委評為“國家重點新產(chǎn)品”。當前第75頁\共有87頁\編于星期四\19點三、光催化應用研高究性進能展復－合福環(huán)州境大凈化學材料及其應用的基礎研究采用自制的納米溶膠光催化劑和動態(tài)高壓噴霧鍍膜技術在陶瓷表面形成具有光催化活性的納米膜，研制出直接利用太陽光分解表面油污和殺菌的光催化自清潔抗菌瓷磚。檢測項目結(jié)果大腸埃希氏菌的殺菌率（%）100金黃色葡萄球菌的殺菌率（%）100白色念珠菌的殺菌率（%）100SO2去除率（%）96.2NO2去除率（%）90.5耐磨性（500r/750g）于星期四\19點0.0022g●（3）光催化自清潔抗菌建材及其工業(yè)生產(chǎn)技術開發(fā)光催化自清潔抗菌瓷磚