光催化原理經(jīng)典

光催化原理與應(yīng)用

PrinciplesandApplicationsofPhotocatalysis福州大學(xué)光催化研究所國家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心李旦振、王緒緒、劉平、付賢智目前一頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)課程內(nèi)容一緒論

二半導(dǎo)體光催化原理三光催化材料的制備與表征四光催化技術(shù)應(yīng)用目前二頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)一、緒論（一）光催化簡介

（二）光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展（三）光催化應(yīng)用研究進(jìn)展（四）光催化學(xué)科展望目前三頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)一、光催化簡介－學(xué)科發(fā)展背景

人與自然的和諧全面、和諧、可持續(xù)發(fā)展是發(fā)展的基礎(chǔ)

然而，人類正面臨嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)！??！▲能源危機(jī)——化石能源煤、石油、天然氣等在枯竭▲環(huán)境污染——

大氣、水、土壤等嚴(yán)重污染是全球關(guān)注的主題目前四頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)一、光催化簡介－學(xué)科發(fā)展背景

政府重視、人民關(guān)心、

科學(xué)家在探索！

路在何方？？？光催化技術(shù)：

最有前景的新技術(shù)之一環(huán)境污染能源緊缺目前五頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)一、光催化簡介－學(xué)科發(fā)展背景光催化技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的可以利用太陽能進(jìn)行環(huán)境凈化和能源轉(zhuǎn)化的新技術(shù)?！馠2OH2,O2OrganicsCO2，H2OPracticalApplicationsFundamentalResearch將低密度的太陽能轉(zhuǎn)化為高密度的化學(xué)能（氫能）通過光催化反應(yīng)分解各種污染物和殺滅細(xì)菌與病毒（甲醛、苯、PCB、二惡英、染料、農(nóng)藥…）能源光催化環(huán)境光催化價(jià)帶導(dǎo)帶CO2,CH4有用化學(xué)品光催化合成目前六頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)一、光催化簡介－學(xué)科基礎(chǔ)與原理●光催化學(xué)科是催化化學(xué)、光電化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域。氧化還原價(jià)帶導(dǎo)帶有機(jī)污染物多相光催化過程本質(zhì)上是光誘導(dǎo)的氧化－還原反應(yīng)過程H2O→

H2+?O2

C6H6+7?O2

→6CO2+3H2Ohv催化劑hv催化劑目前七頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)一、光催化簡介－技術(shù)特征吸附技術(shù)光催化技術(shù)光催化環(huán)保技術(shù)的特征：吸附技術(shù)生物降解技術(shù)催化氧化技術(shù)高溫焚燒技術(shù)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?xiàng)l件要求苛刻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差能耗較高、催化劑中毒反應(yīng)副產(chǎn)物二次污染

能耗高、產(chǎn)物二次污染

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(jī)污染物…有效殺滅細(xì)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CO2、H2O等無害產(chǎn)物廣譜、長效——上百種應(yīng)優(yōu)先考慮的污染物幾乎都可被降解，催化劑長期使用目前八頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)一、光催化簡介－應(yīng)用領(lǐng)域

光催化技術(shù)應(yīng)用國防軍事化學(xué)工業(yè)醫(yī)療衛(wèi)生建材行業(yè)光能轉(zhuǎn)化印染行業(yè)生物制藥家用電器光催化技術(shù)在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景：目前九頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)一、光催化簡介－學(xué)科前沿難題一:

量子效率低(～4%)難題二:太陽光利用低(～5%)難題三:工程化關(guān)鍵技術(shù)

(反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、催化劑負(fù)載、壽命…)

核心：高效光催化劑及構(gòu)-效關(guān)系

關(guān)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(jī)理技術(shù)難點(diǎn)科學(xué)問題氧化還原有機(jī)污染物TiO2●從理論和應(yīng)用上解決這些問題是國際光催化領(lǐng)域的研究前沿與熱點(diǎn)光催化應(yīng)用的重大科學(xué)與技術(shù)難題3.2eV目前十頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)近年來國內(nèi)外針對光催化領(lǐng)域的重大科學(xué)與技術(shù)問題，開展了系統(tǒng)深入研究，在提高光催化過程效率、實(shí)現(xiàn)可見光光催化過程和解決工程化關(guān)鍵技術(shù)問題等方面有所突破，光催化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－總體進(jìn)展情況

目前十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－總體進(jìn)展情況

*據(jù)ISI數(shù)據(jù)庫檢索，包括：ARTICLE,REVIEW,LETTER,NEWSITEM,EDITORIALMATERIAL,CORRECTION等。

國際光催化基礎(chǔ)研究十分活躍，論文數(shù)量持續(xù)增加！●目前十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展

－總體進(jìn)展情況

中國光催化研究已進(jìn)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…●目前十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑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(jìn)展。采用多種先進(jìn)的方法和手段，設(shè)計(jì)并制備出一系列具有高效、高穩(wěn)定性和可見光誘導(dǎo)性能的新型光催化劑，大大拓展了光催化劑的多元性和應(yīng)用可選擇性。能帶調(diào)控表面修飾半導(dǎo)體復(fù)合離子摻雜固溶體形成量子尺寸效應(yīng)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活性穩(wěn)定性可見光誘導(dǎo)目前十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑

TiO2基新型光催化劑●納米固體超強(qiáng)酸型光催化劑

SO42-/TiO2,SO42-/SiO2-TiO2,Pt-SO42-/TiO2

●窄帶無機(jī)半導(dǎo)體敏化型可見光光催化劑

InVO4/TiO2，LaVO4/TiO2，PS/TiO2，PZT/TiO2●金屬或金屬離子摻雜型光催化劑

Pt/TiO2，

M3+/TiO2(M3+=Gd3+，La3+，Pr3+)●非金屬摻雜型光催化劑

TiO2-xNx/ZrO2，I7+-I-/TiO2，，●具有分級結(jié)構(gòu)的TiO2中空纖維光催化劑●具有類分子篩結(jié)構(gòu)的TiO2光催化劑非TiO2新型光催化劑

●非金屬聚合物可見光光催化劑

g-C3N4，mpg-C3N4，F(xiàn)e/g-C3N4

●單一和多元金屬氧化物納米光催化劑β-Ga2O3，Zn2GeO4，Bi2WO6，PbBi2Nb2O9，

Bi2MoO6，Sr2Sb2O7，Zn2SnO4

，CaSnO3●固溶體型納米晶可見光光催化劑

In(OH)ySz，ZnxCd1-xS

，M2+/In(OH)ySz(Cu,Zn)●金屬氫氧化物/硫化物納米光催化劑

In(OH)3，

InOOH，ZnIn2S4

，Sb2S3●分子篩光催化劑

Fe/HZSM-5，Ag/ZSM-5，F(xiàn)e/Y，Ti/MCM-41●Nafion膜負(fù)載的納米光催化劑

CdS/Nanfion，ZnO/Nafion設(shè)計(jì)制備的兩大類、十二個(gè)系列的40多種新型光催化劑：目前十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)例1納米固體超強(qiáng)酸型高效光催化劑（SO42-/TiO2）●解決的關(guān)鍵問題－TiO2光催化劑量子效率低通過超強(qiáng)酸中心捕獲光生電子和納米量子尺寸效應(yīng)，有效抑制了光生電子－空穴的重新復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的光催化過程。超強(qiáng)酸化效應(yīng)：●

光生載流子有效分離；●抑制晶相轉(zhuǎn)變?！?/p>

O2吸附能力增強(qiáng)；

量子尺寸效應(yīng)：●

氧化-還原能力增強(qiáng)；●

載流子遷移距離縮短；●比表面積增大。二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑Adv.Mater.,2005,17,99J.Photochem.Photobiol.A,2006,179,339Micropor.Mesopor.Mater.,2008,110,543目前十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)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(qiáng)酸光催化劑(發(fā)明專利ZL98115808.0)。與國際標(biāo)準(zhǔn)光催化劑（德國DegussaP-25TiO2）相比，光催化活性提高1-3倍，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用?！呋瘎┍缺砻娣e（m2/g）孔體積（ml/g）銳鈦礦含量（%）平均晶粒度（nm）酸強(qiáng)度（H0）氧吸附量(mmolg-1)光催化活性（%）甲醛溴代甲烷乙烯SO42-/TiO21540.211005.6≤-12.440.5496.044.935.8TiO2(P-25)50－7530≥-3.00.3146.810.912.8二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)已有方法制備的TiO2基可見光光催化劑（有機(jī)染料敏化、非金屬元素N、B等摻雜）容易失活，難以實(shí)際應(yīng)用。例2穩(wěn)定高效的異質(zhì)結(jié)型可見光光催化劑（InVO4/TiO2）※

三、已開展的工作與成果—應(yīng)用基礎(chǔ)研究TiO2(101)InVO4(200)TiO2InVO44005006007000.000.030.060.09TiO2-xNxInVO4/TiO2InVO4TiO2Wavelength(nm)F(R)采用穩(wěn)定的窄帶無機(jī)半導(dǎo)體InVO4與TiO2形成異質(zhì)結(jié),使二者能帶耦合，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、高效、可見光誘導(dǎo)的光催化過程。

●解決的關(guān)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）二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑J.Mater.Chem.,2006,16,1116

Photochem.Photobiol.Sci.,2006,5,653

J.Photochem.Photobiol.A,2008,193,213Environ.Sci.Technol.,2009,43,4164目前十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)可見光下（450≤λ≤900nm），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(yīng)用于光催化環(huán)保涂料中（發(fā)明專利ZL03136596.5）。

三、已開展的工作與成果—應(yīng)用基礎(chǔ)研究01002003004000204060

Conversion(%)

Conversion環(huán)己烷乙苯甲苯丙酮ProducedCO2(ppm)ProducedCO201002003004000204060

Conversionofbenzene(%)

Conversion1strun2ndrun3rdrun4thrun5thrunProducedCO2ProducedCO2(ppm)苯※024681012020406080100050100150200ReactionTime(h)ProducedCO2(ppm)苯InVO4/TiO2TiO2、TiO2-xNx、InVO4、InVO4/SiO2024681012020406080100050100150200ReactionTime(h)Conversionofbenzene(%)024680204060紫外光TiO2(P25)可見光InVO4/TiO2Conversionofbenzene(%)ReactionTime(h)4％49％二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)例3P區(qū)金屬氧化物/氫氧化物新型納米光催化劑※二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑Environ.Sci.Technol.,2006,40,5799J.Catal.,

2007,250(1):12-18

J.Phy.Chem.C,

2007,111,18348Environ.Sci.Technol.，2008,42,7387J.Phys.Chem.C,

2008,112,5850NewJ.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、ZnGa2O4●In2O3、In(OH)3、InOOH●

Zn2GeO4、Bi2GeO5●

Sr2Sb2O7目前二十頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)●解決的關(guān)鍵問題—TiO2難以降解苯系污染物，且容易失活

三、已開展的工作與成果—應(yīng)用基礎(chǔ)研究活性順序:β-Ga2O3>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－Ga2O3，對苯系污染物具有優(yōu)異光催化活性、深度氧化能力和活性穩(wěn)定性。β-β-與P25-TiO2相比，β-Ga2O3降解苯的光催化活性提高了近10倍；礦化率提高了22倍，反應(yīng)80小時(shí)未發(fā)生失活現(xiàn)象?！⒐獯呋A(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑●

非TiO2新型高效光催化劑——納米β－Ga2O3

目前二十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑●

Zn2GeO4納米光催化劑模板水熱法合成的Zn2GeO4納米棒對苯、甲苯、乙苯表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化氧化性能，120h連續(xù)反應(yīng)后活性依然穩(wěn)定。與TiO2(P25)和體相Zn2GeO4相比，納米Zn2GeO4光催化活性分別提高6－16倍和5－17倍?！壳岸揬總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑例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●ZnxCd1-xS●

In(OH)ySz※研究發(fā)現(xiàn)，通過形成固溶體可有效調(diào)控寬帶隙半導(dǎo)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。

●M2+/In(OH)ySz(M=Cu,Zn)目前二十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑●

固溶體型可見光光催化劑—In(OH)ySz50nm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)xSy固溶體納米晶體。XRDTEMIn(OH)xSy

(220)5nm目前二十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑SampleNoS/IninsyntheticsolutionS/IninsolidsolutionCrystallitesize(nm)SpecificSurfacearea(m2/g)100362520.50.04243431.00.066255041.50.09373052.00.1432512

In(OH)ySz固溶體的形成，使吸收

帶邊移到可見光區(qū)。DRSXPS目前二十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑In(OH)3中摻入S，形成了S3px和S3py+3pz的能級。In(OH)3In(OH)2.75S0.25量化計(jì)算In(OH)ySz和In(OH)3能帶結(jié)構(gòu)目前二十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑可見光下（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。Possiblemechanismofthevisible-light-drivenphoto-catalysisonIn(OH)ySzsolidsolutions目前二十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑例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2.2eV,比表面積60m2/g，最可幾孔徑～3nm。優(yōu)點(diǎn)：無需模板劑、表面活性劑和有機(jī)溶劑，低溫。Inorg.Chem.，2008,9766-97721mmolZnCl2+2mmolInCl3+6mmolTAA(硫代乙酰胺）+100mL水，pH2～380℃,6h目前二十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前二十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑該多孔微球?qū)τ诩谆缺憩F(xiàn)出很好的可見光光催化降解活性（λ>420nm）。TiO2-xNx

ZnIn2S4目前三十頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)該研究論文2008年10月在美國化學(xué)會(huì)網(wǎng)站主頁的“NewsandResearch”欄目報(bào)道。二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前三十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑例6非金屬聚合物半導(dǎo)體－新型可見光光催化劑（g-C3N4）迄今所報(bào)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(dǎo)體石墨相氮化碳（g-C3N4）具有可見光光催化活性。將其引入光催化領(lǐng)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●●●目前三十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑石墨相氮化碳由于碳和氮是sp2雜化，其帶隙最小LiuandWentzcowitch,PRB50,R10342(1994).g-C3N4LiuandCohen,Science245,841(1989).?-C3N4Krokeetal.,NewJ.Chem26,508(2002).g-C6N8Vodaketal.,Chem.Eur.J9,4197(2003).3D-C3N4

-C3N4Cubic

-C3N4Molina,B.etal.ModernPhys.Lett.B13,193-201(1999)

Molina,B.etal.ModernPhys.Lett.B13,193-201(1999)

氮化碳材料的同素異形體目前三十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑GraphiticcarbonnitrideCyanamideDicyandiamideMelamineMelemPolymericmelem氰胺雙氰胺三聚氰胺蜜勒胺聚蜜勒胺石墨相氮化碳g-C3N4

熱誘導(dǎo)自聚合

熱分析525℃石墨相氮化碳的化學(xué)合成目前三十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑能帶結(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(jì)算導(dǎo)帶價(jià)帶能帶結(jié)構(gòu)-電化學(xué)表征（～460nm）石墨相氮化碳的晶相與能帶結(jié)構(gòu)目前三十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑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

>420nm-0.20-0.16-0.12-0.08-0.040.000.04offIph(uA)Light-darkcyclesFTOg-C3N4/FTOon光電流目前三十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)（1）光催化分解水反應(yīng)H2OH2＋O2可見光（hv>420nm)g-C3N4

l

>420nml

>420nmH2產(chǎn)氫產(chǎn)氧石墨相氮化碳的光催化反應(yīng)性能二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前三十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)（2）醇類光催化選擇性氧化反應(yīng)R1R2Conv.(%)Sel.(%)1PhenylH57>992PhenylCH377>9934-MethlphenylH869044-ChlorophenylH79>9954-MethoxyphenylH1009564-MethylbenzoateH80>997PhCH=CH2H92648PentylCH335>999PhenylCyclopropyl3290苯甲醇苯甲醛hv>420nmg-C3N4,O2（醇）（醛、酮）二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前三十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)（3）胺類光催化氧化偶聯(lián)反應(yīng)NH2Ng-C3N4,O2hv>420nm，80oC二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前三十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)（4）光催化選擇性氧化苯合成苯酚g-C3N4,H2O2hv>420nm，60oCDirectmetal-freeoxidationofbenzenetophenolwithH2O2inneutralconditionCatalysthvt(h)BenzeneConv.(%)1g-C3N4-402g-C3N4+403mpg-C3N4-40.14mpg-C3N4+42.0二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)（5）染料廢水光催化降解反應(yīng)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>420nm)g-C3N4

RhBg-C3N4+O2g-C3N4+H2O2二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)石墨相氮化碳光催化劑的初步改性拓寬光譜響應(yīng)范圍、提高光催化效率結(jié)構(gòu)調(diào)控金屬修飾分子設(shè)計(jì)g-C3N4二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)Carbonnitridepolymerg-C3N4的分子設(shè)計(jì)與合成

5倍460→650nm光吸收光催化性能

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＋二聚氰胺二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)

采用模板法制備多孔性、大比表面的氮化碳材料，提高效率550oC氰胺-SiO2NH4HF2

550oC-SiO2550oCNH4HF2

SiO212nmSBA-15ompg-C3N4239m2/gg-C3N4ompg-C3N4mpg-C3N4g-C3N4的孔結(jié)構(gòu)調(diào)控100nm100nm介孔結(jié)構(gòu)mpg-C3N467-373m2/g介孔分子篩g-C3N48m2/g產(chǎn)氫活性(μmol/h)光催化效率提高8倍二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)g-C3N4的金屬組分修飾200nm(A)0.3μmFeC0.3μmN0.3μm負(fù)載化SBA-15光催化性能(苯→苯酚)NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNFe-g-C3N4

Fe3+

金屬離子絡(luò)合配位,g-C3N4→Fe-g-C3N4→負(fù)載化Fe含量增加11.9+Fe-g-C3N4/SBA-1566.7-Fe-g-C3N4/SBA-1554.8+Fe-g-C3N441.8-Fe-g-C3N432+mpg-C3N420+g-C3N41C6H6轉(zhuǎn)化率(%)hvCatalyst二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)

金屬表面修飾，g-C3N4

→Pt/g-C3N4

→Pt/mpg-C3N4Pt/g-C3N4g-C3N4g-C3N4Pt/g-C3N4g-C3N4的金屬組分修飾Pt二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)NatureMaterials,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(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)論文被美國化學(xué)會(huì)的Chemical&EngineeringNews專門介紹NatureMaterials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(guān)注：

二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑目前四十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)

吸收可見光；高穩(wěn)定性；不含金屬成份,廉價(jià)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。二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－新型光催化劑值得進(jìn)一步深入研究●初步研究結(jié)果表明，氮化碳聚合物半導(dǎo)體是一類有希望的新型可見光光催化材料，具有許多獨(dú)特的性能，將豐富和拓展光催化領(lǐng)域的研究內(nèi)容，在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前四十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理●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(yīng)研究●界面間電子轉(zhuǎn)移對光催化反應(yīng)性能的影響研究光催化反應(yīng)機(jī)理和活性中心研究2、光催化反應(yīng)機(jī)理的研究取得進(jìn)展，初步闡明了界面間電荷轉(zhuǎn)移機(jī)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(yīng)速率的關(guān)鍵因素有了進(jìn)一步認(rèn)識。目前五十頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理含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(shí)該活性與沸石中所含的雜質(zhì)Fe有關(guān)。進(jìn)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(xué)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。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分子篩光催化劑的活性中心研究目前五十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理Fe物種在ZSM-5中可能的化學(xué)結(jié)構(gòu)UV-Raman

EPRXAFS對HZSM-5中Fe的化學(xué)狀態(tài)及局域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征，結(jié)果表明有多種類型Fe物種存在。目前五十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理UV-Ramanspectra

譜帶面積與光催化活性的關(guān)聯(lián)表面孤立四配位的Fe3+物種與光催化活性有較好的關(guān)聯(lián)，是該分子篩的光催化活性中心。目前五十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理含F(xiàn)e的HZSM-5上乙烯光催化氧化機(jī)理在分子水平上提出了光催化反應(yīng)機(jī)理。該工作對認(rèn)識其它光催化劑的分子作用機(jī)制也有借鑒作用。電子－空穴對激發(fā)態(tài)目前五十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理例2光催化氧化過程的H2-O2耦合效應(yīng)研究Chem.Comm.,2004,2304-2305NewJ.Chem.,2005,29,1514-1519Environ.Sci.Technol.,2008,42,2130–2135實(shí)驗(yàn)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(yīng)速率，光催化活性提高近兩個(gè)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。目前五十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理甲苯乙苯環(huán)己烷丙酮目前五十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理

H2-O2

O2目前五十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理(1)TiO2(UV-irradiated)→e-+h+(2)Os-Pt+e-→Os-(3)Hs-Pt+h+→Hs+(4)Os-+Hs+→HO?(5)Os-+Hs-Pt→HO-(6)HO-+h+→HO?(7)Hs+HO?→H2O(8)Os-Pt+Hs-Pt→HO?

H2/O2耦合效應(yīng)—光生載流子雙捕獲協(xié)同作用機(jī)理目前五十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理例3負(fù)載型光催化劑的載體效應(yīng)研究—TiO2薄膜與導(dǎo)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J.Phys.Chem.B,2006,110,13470-13467TiO2/ITO/glass＞TiO2/glass＞TiO2/AlTiO2/Al＞TiO2/glass＞TiO2/ITO/glass

AlglassITO/glassTiO2/Al

TiO2/glass

TiO2/ITO/glassAl,glass,ITO/glassTiO2/AlTiO2/glassTiO2/ITO/glass產(chǎn)生這種差別的原因與基底的電子功函數(shù)有關(guān)，也與有機(jī)物的分解機(jī)理有關(guān).目前五十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理4.316.9Ag4.017.2TiO2/ITO/glass3.817.4TiO2/Al4.516.7ITO3.617.6AlWorkfunction(Φ)/eVEndedgeenergy/eVSamplesWorkfunctions(Φ)determinedbyUPS功函數(shù)（電子逸出功）：ITO/glass>TiO2>AleTiO2/ITO界面上，Schottky勢壘形成，電子由TiO2轉(zhuǎn)移到ITO上。eTiO2/Al界面上，形成了Ohm接觸，電子從Al片上轉(zhuǎn)移到TiO2上。目前六十頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理油酸的降解主要通過空穴或HO·進(jìn)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(jìn)行，因此活性順序：

TiO2/Al＞TiO2/glass＞TiO2/ITO/glass×

光生空穴壽命不變eTiO2

glass

TiO2

ITO/glass

光生空穴壽命增長TiO2

Ale

光生空穴壽命減短eTiO2膜與導(dǎo)電載體基底間的電子轉(zhuǎn)移影響光生載流子的捕獲和復(fù)合

X目前六十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)二、光催化基礎(chǔ)研究進(jìn)展－反應(yīng)機(jī)理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(yīng)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(yīng)有利。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)。TiO2-KITiO2-PtTiO2oleicacidethyleneTiO2-KITiO2TiO2-Pt目前六十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)日本專利每年突破1000件

專利三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－總體進(jìn)展情況光催化環(huán)保技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用，輻射行業(yè)非常廣泛，全球已形成了一個(gè)新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)－光催化環(huán)保產(chǎn)業(yè)。※發(fā)達(dá)國家政府及企業(yè)高度重視，投入了大量經(jīng)費(fèi)和研究力量；

※新型高效光催化劑、高效光催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、光源傳輸和控制系統(tǒng)、光催化劑負(fù)載技術(shù)等應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)突破；※※開發(fā)出適用于各種應(yīng)用環(huán)境的工程化高效光催化反應(yīng)系統(tǒng)與設(shè)備；光催化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展、新產(chǎn)品不斷推出。光催化應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)迅速發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破

●●目前六十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－總體情況●新興光催化環(huán)保產(chǎn)業(yè)已在發(fā)達(dá)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(yán)峻，對先進(jìn)環(huán)保技術(shù)的需求更加迫切，市場前景更為廣闊。目前六十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－應(yīng)用示例室內(nèi)空氣凈化大氣凈化土壤凈化目前六十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－應(yīng)用示例飲用水凈化工業(yè)污水處理目前六十六頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－應(yīng)用示例國防軍事目前六十七頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－應(yīng)用示例自清潔建筑材料自清潔抗霧玻璃目前六十八頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－應(yīng)用示例醫(yī)療衛(wèi)生目前六十九頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)研制開發(fā)出多種提高光催化過程效率和解決光催化應(yīng)用工程化關(guān)鍵問題的新技術(shù)、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(shù)體系。光催化反應(yīng)技術(shù)：反應(yīng)系統(tǒng)與裝置：光催化劑負(fù)載技術(shù)：●

基于H2－O2耦合效應(yīng)的高效光催化反應(yīng)技術(shù)●

微波－光催化空氣凈化技術(shù)●

光－磁協(xié)同催化技術(shù)●光－熱協(xié)同作用高選擇性氧化富氫氣體中CO的技術(shù)●負(fù)載化單分散納米晶體制備技術(shù)●

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(shù)●

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(fù)合光催化反應(yīng)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(yīng)用研究進(jìn)展－福州大學(xué)目前七十頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－福州大學(xué)研制出系列納米高效光催化劑（光催化涂料），設(shè)計(jì)了生產(chǎn)工藝流程，開發(fā)出工業(yè)生產(chǎn)新技術(shù)。設(shè)計(jì)并建成可年產(chǎn)300噸納米光催化劑生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。（1）新型高效光催化劑及其工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)●目前七十一頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－福州大學(xué)納米固體超強(qiáng)酸光催化劑納米溶膠光催化涂料負(fù)載型光催化劑專用光催化劑部分光催化劑產(chǎn)品目前七十二頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)采用自制負(fù)載型固體超強(qiáng)酸光催化劑和開發(fā)的高效光催化反應(yīng)技術(shù)，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(xì)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。

●凈化器型號生產(chǎn)廠家主要功能光催化效率（C2HCl3去除率%）YKJ-180中國漳州萬利達(dá)光催化科技有限公司分解有機(jī)污染物、去除有害無機(jī)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(huì)社分解有機(jī)污染物、除煙塵22.9三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－福州大學(xué)（2）光催化空氣凈化器及其工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)目前七十三頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)開發(fā)了光催化空氣凈化器工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，與相關(guān)公司合作設(shè)計(jì)建成了可年產(chǎn)30萬臺(tái)光催化空氣凈化器生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。●三、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－福州大學(xué)目前七十四頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)●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(diǎn)新產(chǎn)品”?！袢?、光催化應(yīng)用研究進(jìn)展－福州大學(xué)目前七十五頁\總數(shù)八十七頁\編于十一點(diǎn)采用自制的納米溶膠光催化劑和動(dòng)態(tài)高壓噴霧鍍膜技術(shù)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(xiàng)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）0.0022g●（3）光催化自清潔抗菌建材及其工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)三、光催化應(yīng)用研究