光催化學(xué)科的前沿與發(fā)展趨勢

光催化學(xué)科的前沿與發(fā)展趨勢第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●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。

第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日

光催化分解水制氫

H2O

→H2+?O2

環(huán)境光催化

C6H6+7?O2

→6CO2+3H2Ohvhv催化劑催化劑第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●環(huán)境和能源是二十一世紀(jì)人類面臨和亟待解決的重大問題。光催化以其室溫深度反應(yīng)和可直接利用太陽光作為光源來驅(qū)動反應(yīng)等獨(dú)特性能而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)和潔凈能源生產(chǎn)技術(shù)。

第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日導(dǎo)帶價帶hν=Eg還原氧化A_AD+D光催化原理νh第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日光解水原理導(dǎo)帶價帶光吸收激發(fā)電子生成空穴0.0eV1.23eVNHE(pH=0)H+/H2O2/H2Oνh第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●光催化技術(shù)在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重大社會經(jīng)濟(jì)效益光催化技術(shù)空氣、水凈化國防軍事紡織工業(yè)汽車工業(yè)家用電器建筑材料

醫(yī)療衛(wèi)生潔凈能源第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●光催化受到科學(xué)界、政府部門及企業(yè)界的高度重視，投入了大量的資金和研究力量開展光催化基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)開發(fā)及工程化研究，使得光催化成為近年來國內(nèi)外最活躍的研究領(lǐng)域之一。

第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日一、光催化領(lǐng)域的重大科技問題與學(xué)科發(fā)展趨勢

1、重大科技問題

目前以二氧化鈦為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體光催化存在一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題，使其廣泛的工業(yè)應(yīng)用受到極大制約，而這些問題的解決則有賴于深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日最突出的問題在于：（1）量子效率低（～4%）

難以處理量大且濃度高的廢氣和廢水，難以實現(xiàn)光催化分解水制氫的產(chǎn)業(yè)化。（2）太陽能利用率低

由于TiO2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(Eg=3.2eV)決定了其只能吸收利用紫外光或太陽光中的紫外線部分(太陽光中紫外輻射僅占~5%)。（3）多相光催化反應(yīng)機(jī)理尚不十分明確

以半導(dǎo)體能帶理論為基礎(chǔ)的光催化理論難以解釋許多實驗現(xiàn)象，使得改進(jìn)和開發(fā)新型高效光催化劑的研究工作盲目性大。（4）光催化應(yīng)用中的技術(shù)難題

如在液相反應(yīng)體系中光催化劑的負(fù)載技術(shù)和分離回收技術(shù)，在氣相反應(yīng)體系中光催化劑的成膜技術(shù)及光催化劑活性穩(wěn)定性問題。第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日

上述關(guān)鍵問題也是目前國內(nèi)外光催化領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，圍繞這些問題開展進(jìn)一步的研究不僅可望在光催化基礎(chǔ)理論方面獲得較大的突破，而且有利于促進(jìn)光催化技術(shù)真正能在上述眾多領(lǐng)域得到大規(guī)模廣泛工業(yè)應(yīng)用。第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日2、學(xué)科發(fā)展方向

從理論和應(yīng)用上解決可見光光催化和提高光催化過程效率這兩個重大難題，應(yīng)是光催化學(xué)科的發(fā)展方向。

第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日前沿課題和研究重點(diǎn)：（1）可見光誘導(dǎo)并具有高量子效率的新型光催化劑研制（能帶調(diào)變，非TiO2光催化劑）；（2）多相光催化反應(yīng)機(jī)理研究及形成基于分子水平的光催化理論體系的探討（原位表征和超快時間分辨技術(shù)研究光生載流子的遷移傳輸規(guī)律）；（3）光催化膜功能材料的研究（成膜機(jī)理、性能）；（4）光催化在環(huán)境污染治理和光解水制氫等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日二、光催化領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展

近年來，光催化的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究發(fā)展非常迅速，特別是在可見光誘導(dǎo)的新型光催化劑的研究、提高光催化過程效率的研究和光催化功能材料的研究等方面都取得了重要進(jìn)展。

第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日1、可見光誘導(dǎo)的光催化劑研究方面取得重大突破

采用固相合成、過渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機(jī)絡(luò)合物、表面敏化、半導(dǎo)體復(fù)合等多種方法，制備出了一系列新型非二氧化鈦系或二氧化鈦基可見光光催化材料，這些材料在可見光的照射下，能將H2O分解為H2和O2，或能有效降解空氣、水中的有機(jī)和無機(jī)污染物。第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●ZhigangZou等采用高溫固相合成法，制備出可見光活性的In1-xNixTaO4催化劑并應(yīng)用于光解水制氫[1]、隨后又研制出InVO4

[2]、NiM2O6(M=Nb,Ta)[3]等系列可見光活性的光解水催化劑。（Nature，2001)●MichikazuHara等通過氮化Ta2O5合成出窄禁帶寬度的半導(dǎo)體TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收帶邊分別拓展到500nm和600nm左右，從而具備可見光光催化性能[4]?！?/p>

MasatoTakeuchi等[5]采用離子注入法制備Cr摻雜的TiO2，光吸收帶發(fā)生紅移，可以在可見光下把NO分解為N2和O2?！馬.Asahi等[6]采用N置換式摻雜得到的TiO2-xNx在可見光條件下對亞甲基藍(lán)和氣態(tài)乙醛的光催化活性以及負(fù)載型TiO2-xNx薄膜的親水性都高于TiO2。（Science，2001）第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●趙進(jìn)才等人[7]用β-環(huán)糊精和有生物活性的小分子血晶素合成了一種金屬-有機(jī)絡(luò)合物（CDH），該絡(luò)合物在可見光下可以活化H2O2，把水中的若丹明B（RhB）和2，4-二氯苯酚（DCP）等有機(jī)污染物氧化和礦化?！褡罱顮N等人采用水熱合成制備出具有可見光活性的光解水ZnIn2S4新型催化劑[8]。第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日硫化物ZnIn2S4上可見光催化分解水制氫ZhibinLeiandCanLietal,Chem.Commun.,2003,2142..

第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日2、為解決多相光催化過程效率偏低的問題，近年來從提高催化劑自身的量子效率和改進(jìn)反應(yīng)過程條件兩個方面開展了大量的研究工作，取得了重要進(jìn)展。●采用離子摻雜[10-12]、半導(dǎo)體復(fù)合[13-14]、納米晶粒制備[15-16]、超強(qiáng)酸化[17-19]等方法，提高光生載流子的分離效率和抑制電子-空穴的重新復(fù)合，在一定程度上改善了光催化劑的量子效率。●值得注意的是，近年來通過外場（電場、微波場[20-21]、磁場[22]、超聲波[23]、熱場[24]等）與光催化耦合來提高多相光催化過程效率，做了許多有益的探索。第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日3、光催化材料超親水性的發(fā)現(xiàn)[25]，開辟了光催化研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域（Nature,1997)

利用光催化膜的超親水性和強(qiáng)氧化性等特性，研制開發(fā)出一系列光催化功能材料，如光催化自清潔抗霧玻璃、光催化自清潔抗菌陶瓷和光催化環(huán)保涂料等。這些功能材料已開始在建筑材料領(lǐng)域應(yīng)用。與之相應(yīng)的光催化膜功能材料的基礎(chǔ)研究也有大量的文獻(xiàn)報道[26-28]。第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日三、我國光催化學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展方向1、發(fā)展現(xiàn)狀

九十年代中期以來，國家自然科學(xué)基金委、國家計委和國家科技部等部門加大了對我國光催化基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的支持力度，組織實施了包括國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目和國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目在內(nèi)的一批科研項目，使得近年來我國光催化基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展十分迅速。第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●研究隊伍急劇擴(kuò)大，多學(xué)科交叉特色顯著

最近幾年，由于國際上光催化分解水研究的復(fù)蘇，特別是環(huán)境光催化的崛起，我國許多高等院校、中科院研究所、部委及軍隊研究院所都開展了光催化研究工作。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)等諸多學(xué)科的科研人員都紛紛加入到光催化研究隊伍。第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日光催化研究主要地區(qū)分布第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日全國光催化會議論文和人數(shù)變化情況年度人數(shù)或論文數(shù)第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●研究內(nèi)容與國際同步，研究水平不斷提高----從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究涵蓋了光催化領(lǐng)域的各個方面。----一批在日本、美國、加拿大、法國等國家從事光催化研究的留學(xué)人員的陸續(xù)回國。----取得了一批重要的基礎(chǔ)研究成果，在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了大量高水平論文，論文數(shù)量估計每年以30%的速度增長，據(jù)不完全統(tǒng)計2002年達(dá)到百篇以上。----經(jīng)過近七、八年的快速發(fā)展，我國光催化領(lǐng)域的整體研究力量、研究條件和研究水平已基本上接近國際水平，與日本、美國和歐洲等國家的差距已經(jīng)明顯縮小。第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●取得了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用研究成果，為我國光催化高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的形成奠定了堅實的基礎(chǔ)，并帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日固體超強(qiáng)酸高效光催化劑的產(chǎn)業(yè)化第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日

固體超強(qiáng)酸光催化劑生產(chǎn)車間第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日生產(chǎn)的固體超強(qiáng)酸光催化劑及系列產(chǎn)品第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日光催化空氣凈化器的產(chǎn)業(yè)化第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日光催化空氣凈化器系列產(chǎn)品第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日

KJ680-LGS第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日光催化自清潔抗菌瓷磚的產(chǎn)業(yè)化第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●

鑒于本項目的開創(chuàng)性和顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，國家計委授予本項目第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●我國光催化研究存在的主要問題：（1）基礎(chǔ)研究：系統(tǒng)的、有重大影響的基礎(chǔ)研究論文較少。（2）應(yīng)用研究：有自主知識產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用研究成果較少、工程化研究相對滯后。（3）研究隊伍：有物理化學(xué)背景的研究人員少；開展光催化分解水的研究隊伍小，發(fā)展后勁不足。（4）研究經(jīng)費(fèi)：基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)投入少，特別是光催化分解水方面的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)極少。第三十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日●從上面的分析可以看出，我國的光催化研究整體上已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，已成為國際光催化領(lǐng)域的一支重要研究力量，加上我國對環(huán)境保護(hù)、能源開發(fā)的巨大需求和市場背景，進(jìn)一步加大對光催化基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的支持力度，促進(jìn)光催化學(xué)科的發(fā)展是十分必要的。第三十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日2、發(fā)展方向

根據(jù)目前我國光催化研究現(xiàn)狀和國際光催化學(xué)科的發(fā)展趨勢，建議國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)支持如下方向的基礎(chǔ)研究：●深入的多相光催化反應(yīng)機(jī)理研究；●基于分子水平的光催化理論體系的探討；●可見光誘導(dǎo)的新型高效光催化劑的研究；●光催化在環(huán)境污染治理、光解水制氫和光催化膜功能材料等領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

第三十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期日謝謝福州大學(xué)光催化研究所第四十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期