光催化劑的研究與展望ppt

1、L/O/G/O光催化劑的研究與展望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：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(jìn)化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(fù)離子。 光催化光催化光催化材料：光催化材料：包括TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2，CdS等多種氧化物硫化物半導(dǎo)體，其中TiO2因其氧化能力強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定無毒，成為世界上最當(dāng)紅的納米光觸媒材料。 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)

2、到導(dǎo)帶(CB)形成光生電子-空穴。價(jià)帶空穴是強(qiáng)氧化劑價(jià)帶空穴是強(qiáng)氧化劑，而導(dǎo)帶電子是強(qiáng)還原劑導(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)極為活潑的自由基基團(tuán)（ HO . ）電子與O2結(jié)合也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)極為活潑的自由基基團(tuán)(.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: 氧化過程光催化原理光催化劑的歷史和應(yīng)用 1972年，F(xiàn)ujishima(藤島昭教授)在半導(dǎo)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(dǎo)體光催化這一

3、新的領(lǐng)域。 1977年，Yokota發(fā)現(xiàn)光照條件下，TiO2對(duì)丙烯環(huán)氧化具有光催化活性，拓寬了光催化應(yīng)用范圍，為有機(jī)物氧化反應(yīng)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(jī)合成等方面的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，半導(dǎo)體光催化成為國(guó)際上最活躍的研究領(lǐng)域之一。常見的光催化材料ZnO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)生光腐蝕金屬硫化物在水溶液中不穩(wěn)定，會(huì)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)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

4、光催化特性g (nm)1240/Eg (eV) 禁帶寬度禁帶寬度 Eg=3.2 eV, 波長(zhǎng)波長(zhǎng) g=387 nm TiO2 在光催化和光電轉(zhuǎn)換方面應(yīng)用前景十分廣闊, 而阻礙其應(yīng)用的是它的禁帶寬度( Eg=3.2eV) , 不能有效地利用太陽(yáng)能, 因此研究開發(fā)因此研究開發(fā)可見光響應(yīng)的可見光響應(yīng)的TiOTiO2 2 就成為當(dāng)前光催化劑研究的關(guān)鍵課題。就成為當(dāng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了TiO2 可見光化。TiO2催化基理及當(dāng)前研究現(xiàn)狀 提高TiO2光催化活性的途徑 目前的TiO

5、2光催化劑存在兩個(gè)問題： 效率低 只能吸收紫外光u金屬離子摻雜修飾u非金屬離子摻雜u半導(dǎo)體復(fù)合u染料光敏化解決方法：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(jī)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(huì)在摻雜某些金屬元素后，會(huì)在TiO2禁帶中形成新能級(jí)，使吸收光禁帶中形成新能級(jí)，使吸收光譜向可見光方向移動(dòng)。譜向可見光方向移動(dòng)。金屬金屬離子可離子可捕獲導(dǎo)帶捕獲導(dǎo)帶中的電子，抑制電子和空穴的復(fù)合，但是中的電子，抑制電子和空穴的復(fù)合，但是摻雜濃度過高，金屬

6、離子可能成為電子空穴復(fù)合中心。兩者綜合摻雜濃度過高，金屬離子可能成為電子空穴復(fù)合中心。兩者綜合作用的結(jié)果就形成一個(gè)波峰，金屬離子的摻雜濃度對(duì)作用的結(jié)果就形成一個(gè)波峰，金屬離子的摻雜濃度對(duì)TiO2光催化光催化效果的影響通常呈現(xiàn)拋物線關(guān)系。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(duì)半導(dǎo)體催化劑的修飾是通過改變電子分布來實(shí)現(xiàn)的。在TiO2表面沉積適量的貴金屬后，由于金屬的費(fèi)米能級(jí)小于TiO2的費(fèi)米能級(jí)，即金屬內(nèi)部和TiO2相應(yīng)的能級(jí)上，電子密度小于TiO2導(dǎo)帶的電子密度。因此，載流子重新分布，電子從TiO2向金屬擴(kuò)散，直到它們的費(fèi)米能級(jí)相同。電子在金屬上的富

7、集，相應(yīng)減小了TiO2表面電子密度，從而抑制了電子和空穴的復(fù)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(duì)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(chǎng)增強(qiáng),導(dǎo)致從表面態(tài)向TiO2導(dǎo)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(yáng)極光電流。沉積Ag后的TiO2光催化性能Pt的改性效果最好，但成本較高；Ag改性的相對(duì)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

8、要方向之一將窄禁帶半導(dǎo)體與納米TiO2進(jìn)行表面復(fù)合，利用不同能級(jí)半導(dǎo)體之間光生載流子的輸運(yùn)和分離提高TiO2活性。當(dāng)用能量較小的可見光照射時(shí)，窄禁帶半導(dǎo)體發(fā)生帶間躍遷，由于能級(jí)差異，產(chǎn)生的光生電子轉(zhuǎn)移至TiO2的導(dǎo)帶，空穴則聚集在窄禁帶半導(dǎo)體的價(jià)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(dǎo)體相比，它們表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和催化活性。無機(jī)光敏化劑如 CdS、Fe2O3、SnO2、WO3等。半導(dǎo)體復(fù)合CdS與TiO2耦合半導(dǎo)體 CdS吸收可見光產(chǎn)生電子和空穴，電子會(huì)從吸收可見光產(chǎn)生電子和空穴，電子會(huì)從CdS的導(dǎo)帶流向更穩(wěn)的導(dǎo)帶流向更穩(wěn)定的定的TiO2的導(dǎo)帶，并在的導(dǎo)帶，并在

9、TiO2的導(dǎo)帶富集，而空穴會(huì)富集在的導(dǎo)帶富集，而空穴會(huì)富集在CdS的價(jià)帶，的價(jià)帶，有效分離光生電子與空穴，提高了光催化結(jié)果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(zhǎng)范圍的主要途徑之一。通過添加適當(dāng)?shù)墓饣钚悦艋瘎?以物理或化學(xué)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(dǎo)帶上,從而擴(kuò)大了TiO2激發(fā)波長(zhǎng)的范圍, 使之能利用可見光來降解有機(jī)物。已見報(bào)道的敏化劑包括一些貴金屬化的復(fù)合化合物如Ru及Pd、Pt、Rh、Au的氯化物及各種有機(jī)染料

10、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(dǎo)帶電位相匹配導(dǎo)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(yáng)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(jìng)爭(zhēng)吸附競(jìng)爭(zhēng), 敏化劑自身敏化劑自身也可能發(fā)生光降解發(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?yàn)樯鲜龇矫娴脑? 關(guān)于TiO2光活性物質(zhì)光敏化研究的報(bào)道有減少趨勢(shì)。TiO2光催化劑的可見光化研究, 將為人類充分利用太陽(yáng)能, 改善人類生活環(huán)境邁出重要的一步。經(jīng)過世界各國(guó)科學(xué)家的共同努力, TiO2可見光

11、化研究雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展, 對(duì)TiO2的各種改性方法或多或少都提高了太陽(yáng)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(duì)各種改性方法的光催化機(jī)理存在爭(zhēng)議,并且由于光催化反應(yīng)體系的復(fù)雜性，動(dòng)力學(xué)研究存在許多困難，實(shí)際應(yīng)用過程中載體性質(zhì)與負(fù)載方法對(duì)光催化劑活性的影響等問題仍需進(jìn)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(diǎn)。總結(jié)今后在基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)研究方面, 如TiO2光催化劑的機(jī)理, 納米TiO2制備技術(shù)和設(shè)備,納米TiO2結(jié)構(gòu)與物理、化學(xué)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(yīng)繼續(xù)深入。 在應(yīng)用研究應(yīng)用研究方面,