光催化
光催化的原理
光催化的原理光催化技术是一种利用光能激发催化剂表面产生的活性物种，从而实现气相或液相中有害物质的高效降解和转化的技术。
光催化技术在环境治理、能源利用、化学合成等领域具有广阔的应用前景。
其原理主要涉及光生电化学、表面物理化学、光化学等多个学科的知识。
下面将从光催化的基本原理、光催化剂的种类和应用以及光催化技术的发展趋势等几个方面进行介绍。
光催化的基本原理是利用光能激发催化剂表面产生的活性物种，从而实现有害物质的降解和转化。
在光照条件下，催化剂表面会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对具有较高的还原和氧化能力，可与有害物质发生氧化还原反应，从而将有害物质降解为无害的物质。
此外，光照条件下还可激发催化剂表面产生活性氧物种（如·OH、O2-等），这些活性氧物种也可与有害物质发生氧化反应，实现有害物质的降解和转化。
光催化剂是实现光催化反应的关键。
常见的光催化剂包括二氧化钛、氧化锌、氧化铁等。
这些光催化剂具有良好的光催化活性和稳定性，可在可见光或紫外光照射下产生活性物种，从而实现有害物质的降解和转化。
近年来，人们还通过改性和复合等手段，进一步提高了光催化剂的光催化活性和稳定性，拓展了光催化技术的应用领域。
光催化技术在环境治理、能源利用、化学合成等领域具有广泛的应用前景。
在环境治理方面，光催化技术可用于处理水污染、空气污染等环境问题，实现有害物质的高效降解和转化。
在能源利用方面，光催化技术可用于光催化水分解制氢、光催化CO2还原制燃料等领域，实现可再生能源的高效利用。
在化学合成方面，光催化技术可用于有机合成、药物合成等领域，实现高效、环保的合成反应。
光催化技术的发展趋势主要包括提高光催化剂的光催化活性和稳定性、拓展光催化技术的应用领域、开发新型光催化材料等方面。
未来，随着人们对环境保护和可持续发展的需求不断增加，光催化技术将在更广泛的领域得到应用，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
综上所述，光催化技术是一种利用光能实现有害物质降解和转化的重要技术。
光催化原理PPT课件
12
第三步
超氧负离子和氢 氧自由基具有很 强的氧化性,能将 绝大多数的有机 物氧化至最终产 物CO2和H2O,甚 至对一些无机物 也能彻底分解。
化学与药学院.
二氧化钛的光催化原理
半导体的光吸收阈值与带隙的关系：
K=1240/Eg(eV)
因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。
11
化学与药学院.
光催化原理
第一步
当光子能量高于半 导体吸收阈值的光 照射半导体时,半导 体的价带电子发生 带间跃迁,即从价带 跃迁到导带,从而产 生光生电子(e-)和 空穴(h+)。
第二步
E=hC/λ 所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。
❖有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳 米光触媒采用锐钛型的原因。
16
化学与药学院.
光催化应用技术
❖ 光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有 的氧化还原能力而净化污染物。
❖ 光催化净化技术的特点：半导体光催化剂化学性质稳
光催化的基本知识
化学与药学院 马永超
1
.
主要内容
光催化剂的定义 光催化起源
光催化材料 光催化的原理 光催化的应用
2
.
催化剂是加速化学反应速率的化学物质， 其本身并不参与反应。
光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的 化学物质的统称。
3
化学与药学院.
光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
4
反应体系的相态
普通的二氧化钛一般称为体相半导体，这是与纳米二氧化钛 相区别的。
光催化原理
化学与药学院
什么材料可以作为光催化剂
1 2 3
其他
氧化物半导体 包括二氧化钛
(TiO2),氧化锌 (ZnO),氧化锡 (SnO2)
硫化物半导 体包括二氧化
锆(ZrO2)，硫化镉 (CdS)
化学与药学院
在早期，也曾较多使用硫化镉（CdS)和氧化 锌（ZnO)作为光催化材料，但是由于 这两种 化合物的化学性质不稳定，它们会在光催化 的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具 有一定的生物活性。所以发达国家现在已经 很少将它们用作民用光催化材料，只是在部 分工业光催化领域还在应用
液体催化剂
固体催化剂
化学与药学院
起
源
光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术。我 们也可以用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的 天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作 用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合 物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用 于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症治疗，高 效率抗菌等多个前沿领域。
化学与药学院
从上面介绍我们可以看到，二氧化钛的光催化反应过程， 很大程度依靠第一步的光子激发，所以有足够激发二氧化 钛的光子，才能提供足够的能量，我们也可以知道，光催 化反应并不是凭空产生的它也是需要消耗能量的，符合能 量守恒原则，它消耗的是光子，也就是光能。如果是太阳 光照射光触媒就利用太阳能，灯光就是利用光能。联合国 将光触媒开发列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。
化学与药学院
二氧化钛(Titanium Dioxide)因其具有良好的抗光腐蚀 性和催化活性（氧化能力强）；而且性能稳定； 价廉易得；无毒无害，是目前公认的最佳光催化 剂。
化学与药学院
光催化ppt课件
30
31
❖ c.即使同一种催化剂，由于其结构和表面形态不同，其 光催化活性也不同。
2
背景、发展
❖ 1967年还是东京大学研究生的藤岛昭教授，在一次试验中对 放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分 解成了氧和氢。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因 此后来将这一现象中 的氧化钛称作光触媒。
❖ 这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机 的背景，这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩 目，但由 于很难在短时间内提取大量的氢气，所以利用于新 能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。
主。多余的电子脱离施主进入导带，使半导体中的 电子数目高于空穴，这类半导体主要靠电子导电， 称为n型半导体。 ❖ 若掺杂原子的电子数较少，则为受主。受主容易将 价带中的电子拉到自己周围，使价带中空穴数量大 于电子，这类半导体称为p型半导体。
18
19
光催化基本理论
❖ 光催化反应机制及过程
（1)光激发过程
28
K光吸收波长阈值 当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激 发作用，当用388nm的紫外光照射锐钛型纳米TiO2时，电子才能从 价带激发到导带，形成电子-空穴（e--h+）对，迁移到TiO2表面， 具有了还原、氧化作用。
29
❖ b. 半导体在其表面所发生的光致电子转移到吸附物上的能 力，是由半导体导带和价带位置以及吸附物的氧化还原电 位所控制。因此，不同催化剂的光催化活性不同。 如在光催化分解水的反应中，氧化型半导体的价带边低
光催化技术的原理
光催化技术的原理
光催化技术是一种利用光能激发固定相催化剂表面的光生电子和空穴，通过活化分子间的化学键，从而实现催化反应的方法。
其原理主要涉及以下几个方面：
1. 光吸收：光催化过程首先需要材料能够吸收可见光或紫外光，以提供足够的能量给催化剂中的电子和空穴。
常用的光吸收材料包括二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）等。
2. 电子和空穴的生成：在光吸收后，光生电子和空穴对在催化剂表面上生成，并迅速分离。
在二氧化钛中，光激发会导致电子从价带跃迁到导带，形成带电电子和空穴。
3. 活性物种的产生：光生电子和空穴具备一定的活性，它们参与了激发分子间的化学反应。
光生电子在还原反应中起着电子供应的作用，而空穴在氧化反应中起着氧化作用。
这些活性物种的产生能够在其附近的环境中引发一系列氧化还原反应，从而促进有机污染物降解、细菌杀灭等一系列应用。
4. 反应环境的调控：光催化过程中的反应环境也对催化效果有着重要影响。
例如，通过调整光照强度、气体或液体中的溶解氧含量等条件，可以优化活性物种的产生和利用效率。
需要注意的是，光催化技术具有可重复使用的优点，并且不会造成二次污染。
然而，其在实际应用中还面临一些挑战，例如催化剂的选择、反应速率等问题。
因此，对于不同的应用场景，
需要仔细选择合适的催化剂和优化反应条件，以实现更高效、更可靠的催化效果。
(完整)光催化
1、光催化原理是：半导体能带不是连续的，价带（VB）和导带（CB）之间存在一个禁带，当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，其价带上的电子被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴，即电子-空穴对。
TiO2表面上光生电子和空穴的复合是在小于10-9秒的时间内完成的，因此光生电子和空穴会在TiO2体内或表面重新合并，使光能以热能的形式发散。
- + h+TiO2 + hv →ｅe- + h+→N +ene rgy当存在合适的俘获剂或表面缺陷时，电子与空穴在TiO2表面重新复合受到抑制，就会在TiO2表面发生氧化还原反应。
价带空穴是很强的氧化剂，不同的半导体在不同的pH值下空穴的电位为+1.0～+3.5V（相对于标准氢电极NHE）；而导带电子是良好的还原剂，电位是+0.5～-1.5V。
大多数有机物的光催化降解都是直接或间接利用空穴的氧化能力，但是，为了防止电荷积累，必须有还原物质与电子作用。
一般，吸附在TiO2表面的O2可以通过捕获电子，形成超氧离子而阻止电子与空穴的复合O2 +e- →Ｏ2-超氧离子在溶液中通过一系列的反应形成H2O2：2?OOH → H2O2 + O2?OOH + O2?- → O2 + H2O-H2O- + H+→ H2O2由以下反应均可使产生羟基自由基：H2O2→ 2?OHH2O2 + O2?-→?OH + OH- + O2H2O2 + e-→?OH + OH-光生空穴的能量为7.5eV,有很强的得电子能力，使不吸收光的物质也被氧化。
对于不同的体系，空穴可以直接氧化或间接氧化有机污染物，甚至可能同时直接和间接氧化有机污染物。
间接氧化时，光生空穴与TiO2表面吸附的H2O或OH-离子反应生成氧化能力极强的羟基自由基?OH（氧化电位为 2.8eV），?OH对作用物几乎无选择性。
H2O＋h+ →?OH + H+OH-＋h+→?OH2、带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差。
光催化技术的原理及应用
光催化技术的原理及应用引言光催化技术是一种利用光能激发物质反应的技术，通过光催化剂吸收光能激发电子，并与其它物质进行反应，从而实现一系列的化学过程。
本文将介绍光催化技术的原理和其在环境治理、能源生产以及材料科学等领域的应用。
光催化技术的原理光催化技术利用光能激活催化剂，从而促进物质的转化和反应。
光催化过程主要有以下几个关键步骤：1.光吸收：光催化剂吸收光能，跃迁到激发态。
催化剂的电子从基态跃迁到激发态时，吸收了光子的能量。
2.电子输运：激发态的催化剂通过电子输运链进行电子传递，将激发态的电子输运到反应区域。
3.氧化还原反应：激发态的电子与物质发生氧化还原反应，从而促进物质的转化和反应。
常见的反应包括光解水、光催化降解污染物等。
光催化技术的原理基于上述关键步骤，通过激活催化剂的电子，从而促进化学反应的进行。
光催化技术具有高效、环境友好、可控性高等优点，因此在许多领域得到了广泛应用。
光催化技术在环境治理中的应用光催化技术在环境治理领域发挥着重要作用，特别是在空气和水污染治理中。
以下是光催化技术在环境治理中的几个应用案例：1.空气净化：光催化技术可以利用催化剂吸附和分解空气中的有害气体，如二氧化氮、甲醛等。
通过将光催化剂涂覆在建筑材料表面或制备成光催化过滤器，可以有效净化室内和室外空气。
2.水污染治理：光催化技术可以通过光解水、光催化氧化等反应来消除水中的有机物、重金属等污染物。
将光催化技术应用于水污染治理可以高效地去除各类有害物质，提高水质。
3.种植光催化材料：在城市建设中，可以利用光催化材料种植植物和藻类，通过光催化作用，可以提高植物和藻类的光合作用效率，减少二氧化碳排放，改善城市生态环境。
光催化技术在能源生产中的应用光催化技术也在能源领域展现出广阔的应用前景，下面是光催化技术在能源生产中的几个实际应用：1.光催化水裂解制氢：通过将光催化剂与水接触，利用光催化原理将水分解成氢气和氧气。
这种方法可以以可再生能源为驱动，实现低成本、高效率的氢气生产，为新能源的开发提供支持。
光催化概述
光催化概述
光助催化简称光催化，指在催化剂存在下进行的光化学反应。
光催化的特点是利用光辐照激发催化剂分子或激发催化剂和反应分子，形成络合物，并可能经历配位络合、能量传递和电子传递等过程，从而加速光化学反应。
光催化反应有均相或多相之分，可采用人工光源（包括激光）或太阳光，有效波段是紫外和可见光的高频段。
典型的光催化反应有铜盐光催化降冰片二烯异构化、二氧化钛光催化烃类氧化等有机光催化反应和氧化锌光催化氧化（将一氧化碳氧化为二氧化碳）、二氧化钛光催化氧化（将CN-氧化成CNO-）等环境保护用无机光催化反应等。
光催化 ef
光催化EF是光催化反应中的一种参数，它代表了光催化反应的能量转换效率。
EF值越高，表示光催化反应的能量转换效率越高，能够更有效地利用光能进行物质转化。
在光催化反应中，半导体材料被光子激活，产生电子和空穴，这些电子和空穴在半导体表面发生氧化还原反应，将光能转化为化学能，从而实现了光催化作用。
EF值是评价光催化性能的重要参数之一，它可以通过实验测定，反映了光催化反应的能量利用效率。
在光催化反应中，EF值受到多种因素的影响，如半导体材料的性质、光子能量、反应温度、反应物浓度等。
因此，为了提高光催化反应的EF值，需要从多个方面进行优化和改进，如选择合适的半导体材料、提高光子能量利用率、降低反应温度、优化反应物浓度等。
总之，光催化EF是评价光催化性能的重要参数之一，它反映了光催化反应的能量利用效率。
通过优化和改进光催化反应的条件和参数，可以提高EF值，从而提高光催化反应的效率和性能。
光催化反应途径
光催化反应途径
光催化反应是一种利用光能来驱动化学反应的过程，通常涉及到光吸收、电子转移和化学反应三个基本步骤。
首先，光催化剂吸收特定波长的光子，产生光生电子和空穴。
这个过程依赖于半导体的能带结构，只有当光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度时，才能激发电子从价带跃迁到导带，同时在价带留下空穴。
接下来是电子和空穴的迁移。
在这个过程中，光生电子和空穴会经历一系列的物理和化学过程，包括在催化剂表面上的迁移、与表面吸附的物种的反应等。
由于电子和空穴的还原和氧化能力，它们可以参与多种化学反应，包括有机污染物的降解、水的分解等。
最后是光催化反应的产物。
在光催化反应中，电子和空穴与催化剂表面吸附的物质发生反应，生成具有氧化或还原能力的活性物质。
这些活性物质可以进一步参与化学反应，生成最终产物。
例如，在光催化降解有机污染物的过程中，光生电子和空穴可以分别与有机物和氧发生反应，生成二氧化碳和水等无机物。
为了提高光催化反应的效率，需要从以下几个方面进行改进：一是优化光催化剂的能带结构，使其能够吸收更多的光子；二是提高光生电子和空穴的分离效率；三是提高催化剂表面的活性位点数量；四是选择适合的光催化剂制备方法，以获得高纯度、高结晶度的催化剂。
总之，光催化反应是一种高效、环保的能源转化和利用技术，具有广泛的应用前景。
通过深入研究和优化光催化反应的途径，有望实现其在各个领域的广泛应用。
光催化氧化技术
（一）纳米TiO2粉体光催化剂的制备方法 ◎ 气相法：高温氧化原理 优点：反应速度快，能实现连续生产，制得的产品纯度高、 粒度小、分散性好、表面活性大。 缺点：对反应器的构型、设备的材质、加热及进料方式等均 有很高的要求。 ◎ 液相法 优点：合成(héchéng)温度低、设备简单、成本低。 缺点：颗粒大小、形状不均，分散性差，影响产品的使用效 果和应用范围
WO3
2.7
CdS
2.4
ZnS
3.7
SrTiO3
3.4
SnO3 铁的氧化物会3发.5生阴极光腐蚀WSe3
1.2
Fe2O3
2.2
a-Fe2O3
3.1
第二十一页，共75页。
TiO2有三种不同的晶体结构：锐钛矿（anatase）结构、 金红石（rutile）结构和板钛矿（brookite）结构。 金红石最稳定，从低温(dīwēn)到熔点都不会发生晶相 转变；锐钛矿次之，在室温下稳定；板钛矿很少见。 具有光催化作用的主要是锐钛矿结构和金红石结构，其 中以锐钛矿结构的催化活性最高。 锐钛矿型TiO2吸收小于387nm的光，金红石型TiO2吸 收小于413nm的光。
M n (金 属 离 子 ) n e M
第十五页，共75页。
在光照下，如果光子(guāngzǐ)的能量大于半导体禁带宽度，其价 带上的电子（e-）就会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴 （h+）。当存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子 和空穴的复合得到抑制，就会在催化剂表面发生氧化-还原反应。 价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体 光催化反应中，一般与表面吸附的H2O，O2反应生成•OH和超氧 离子O2-，能够把各种有机物直接氧化成CO2、H2O等无机小分子， 电子也具有强还原性，可以还原吸附在其表面的物质。 激发态的导带电子和价带空穴能重新合并，并产生热能或其他形 式散发掉。
光催化 光谱调控
光催化光谱调控
光催化是利用光能使化学反应发生的过程，常见的应用包括污水处理、空气净化、有机合成等。
光催化的原理是通过吸收光能的半导体材料（如钛酸钡、二氧化钛等）产生电子和空穴对，并在其表面发生氧化还原反应以达到去除污染物、降解有害物质、制备新材料等目的。
光谱调控是指通过控制光的波长、强度、方向等参数来实现对材料性质和反应机理的精确调控的技术。
在光催化中，光谱调控可通过选择合适的光源和材料，调节光的波长和强度，来控制光电子转移、激发态的产生和衰减等过程，从而优化催化效率和选择性。
总的来说，光催化和光谱调控是一些重要的绿色化学或环境科学技术，可以有效降低化学反应的温度和压力，减少废弃物和有害物质的排放，并为我们提供更多可持续的解决方案。
光催化的基本过程和原理
光催化的基本过程和原理光催化是指一种利用光能促使化学反应发生的技术。
它是一种非常有前途的环保技术，可以用来处理废水和废气、分解有机污染物和杀灭细菌等。
光催化的应用范围十分广泛，但是要深入理解光催化的基本过程和原理，才能更好地应用于实际中。
光催化的基本过程可以分为三步：吸光、电子转移和反应。
被处理的物质吸收光能，产生激发态，而且通常是能量较高的电子激发态。
电子将被传输到另一个分子中，或者在物种内移动，这取决于物种的结构和电子能量的差异。
电子在物种之间转移时，会导致化学反应的发生，如电化学反应或电子转移反应。
2. 光催化的原理光催化的原理基于光催化剂的能带结构和光催化反应的机理。
光催化剂通过吸收光能产生电子激发态。
对于半导体光催化剂，其激发态是带隙内的电子，其电荷状态会在物质内移动，从而促进光催化反应的发生。
光催化剂的能带结构与其光活性相关。
通常，光催化剂上的能带结构可以分为几个区域：导带、价带、空穴能带和电子激发态的成键态。
在半导体材料中，导带带隙是指最高占据能级的能量和最低未占据能级的能量之间的距离。
价带带隙是指最高占据能级的能量和空穴能带最低未占据能级的能量之间的距离。
当吸光子产生，电子从价带激发到导带带隙时，就会产生电荷分离。
若半导体中存在空穴能带，则产生的电子和空穴可以在这些区域内移动，这样就可以促进光催化剂上的反应。
光催化反应的机理通常是氧化还原反应，其中一个反应体被氧化而另一个反应体被还原，并且该过程涉及到电子和质子的转移。
在光催化剂上，氧化还原反应的发生通常需要在照射下进行，因为光能够产生足够的能量来激发反应体的电子。
光催化剂可以通过吸收光子，从而使电子跃出价带、进入导带，并进入电解质中的反应体。
此时，光催化剂就可以帮助电子和空穴在反应路径中移动，因此加速了氧化还原反应的发生速率。
光催化技术是一种比较新的技术，随着科学技术的快速发展，光催化技术也在不断地进行着提高和应用。
在光催化反应中，光催化剂起着至关重要的作用，它能够促进固体表面的化学反应，从而达到高效的催化作用。
光催化 掺杂 机理
光催化掺杂机理
光催化是一种利用光能激发催化剂表面活性位点的化学反应方法。
光催化机理涉及光吸收、电子转移和催化反应等过程。
在光催化反应中，光能被催化剂吸收，产生激发态电子（激子）。
激子可以通过两种途径转移能量：非辐射转移（内能转换）和辐射转移（发射或吸收光）。
如果激子转移到了催化剂表面的活性位点上，它们可能与物质发生反应。
这种反应可能包括电子转移反应（捕获或释放电子）或氧化还原反应（氧化或还原底物）。
光催化反应最终通过这些反应路径促进底物的转化。
掺杂是指将一种物质引入另一种物质中，以改变其性质或功能。
在光催化中，常用的掺杂方法包括离子掺杂和原子掺杂。
离子掺杂是将一种离子加入到催化剂材料的晶格中，替代原有晶格位置上的某种离子。
这样可以改变晶体的电子结构和电子云密度，从而调节催化剂的活性和选择性。
原子掺杂是将一种原子引入催化剂材料中，嵌入晶格间隙或替代晶格位置上的原子。
这可以改变晶体的结构和电荷分布，从而影响催化剂的反应活性和稳定性。
光催化掺杂的机理与原始催化剂材料的物性和结构密切相关。
掺杂物的电子结构和晶格位置可以引入新的能级或修饰原有能级，从而促进光激发和电子传输过程。
此外，掺杂还可以增加活性位点的数量或改变活性位点的性质，提高光催化剂的催化活性和稳定性。
因此，通过合理的掺杂方法可以调控光催化反应中的各种过程，从而提高光催化反应的效率和选择性。
光催化原理
常温 常压），具有室温深度氧，二次污染小；可以
将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效 果彻底。
光催化特别合适室内挥发有机物的净化，在深 度净化方面显示出了巨大的应用潜力。
化学与药学院
同一个世界，同一个梦想
化学与药学院
主要内容
光催化剂的定义 光催化起源 光催化材料 光催化的原理
光催化的应用
化学与药学院
催化剂是加速化学反应速率的化学物质， 其本身并不参与反应。
光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的 化学物质的统称。
化学与药学院
光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
反应体系的相态
均相催化剂（酸、 碱、可溶性过渡金 属化合物和过氧化 物） 多相催化剂
纳米粒子的比表面积远远大于常规材料一粒大米粒大小的纳米材料其表面积会相当于一个足球场那么大高比表面使得纳米材料具有强大的吸附物的能力但是纳米的二氧化钛颗粒由于尺寸很小所以电子比较容易扩散到晶体表面导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区光生电子和光生空穴
光催化的基本知识
化学与药学院 马永超
半导体的光吸收阈值与带隙的关系： K=1240/Eg(eV)
因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。
化学与药学院
光催化原理
第一步
当光子能量高于半 导体吸收阈值的光 照射半导体时,半导 体的价带电子发生 带间跃迁,即从价带 跃迁到导带,从而产 生光生电子(e-)和 空穴(h+)。
第二步
此时吸附在纳米颗 粒表面的溶解氧俘 获电子形成超氧负 离子,而空穴将吸附 在催化剂表面的氢 氧根离子和水氧化 成氢氧自由基。
光催化在环境的应用
光催化在环境的应用
光催化在环境领域有许多应用，包括：
1. 空气净化：光催化可以分解空气中的污染物，如甲醛、苯、二氧化碳等，从而净化空气。
2. 水处理：光催化可以分解水中的污染物，如染料、药物、农药等，从而净化水质。
3. 固废处理：光催化可以分解固体废弃物中的污染物，如塑料、橡胶、纺织品等，从而减少对环境的污染。
4. 光合作用：光催化可以模拟光合作用，将二氧化碳和水转化为有机物质和氧气，从而减少二氧化碳的排放。
5. 抗菌消毒：光催化可以产生自由基，从而具有抗菌消毒的作用，可以用于医疗、食品等领域。
总的来说，光催化在环境领域的应用非常广泛，可以有效地减少环境污染，保护人类健康和生态环境。
光化学反应与光催化
光化学反应与光催化光化学反应是指在光照条件下发生的化学反应，其中光子能量被吸收并转化为化学能量。
而光催化是利用光照条件下催化剂吸收光能，通过光生电子和空穴的携带来促进化学反应的过程。
光化学反应和光催化在环境保护、新能源开发等领域具有重要应用价值。
一、光化学反应的基本原理光化学反应的基本原理是光子能量的吸收和化学物质的分子间相互作用。
当光子入射到物质表面时，光子的能量被分子吸收，使其处于激发态。
这些激发态分子可以通过不同途径进行能量耗散，例如发生化学反应、逆转到基态或通过与周围分子碰撞失去能量。
光化学反应的过程中，光照条件下的反应速率通常比在黑暗条件下的反应速率要快得多。
二、光催化的原理和机制光催化是利用光照条件下的催化剂吸收光能，来促进化学反应的过程。
光催化反应一般涉及催化剂表面的电子转移过程。
当催化剂吸收光子能量后，其中的电子被激发到高能级，形成光生电子。
这些光生电子可以与周围分子发生反应，从而触发催化反应。
同时，在光催化过程中，光生电子还可以与光催化剂表面的空穴相结合，形成电子-空穴对。
这些电子-空穴对可以进一步参与化学反应或通过表面传输至催化剂的其他部分，从而促进反应的进行。
三、光化学反应与光催化的应用1. 环境污染治理：光化学反应和光催化可以用于降解和去除水和空气中的有机物污染物。
通过合适的光催化剂和光照条件，能够将有机物分解为无害的物质，实现环境污染的治理与保护。
2. 新能源开发：光化学反应和光催化可以应用于太阳能转化和储存领域。
光催化制氢、光电化学池等技术的发展，为可持续能源的开发提供了新思路和途径。
3. 人工光合作用：光催化可以模拟自然光合作用过程，将太阳能转化为化学能，从而实现人工合成重要化学品或燃料。
这对于实现可持续发展和替代化石燃料具有重要意义。
四、进一步研究和发展光化学反应和光催化作为一门交叉学科，仍然存在一些挑战和问题需要进一步研究和解决。
其中包括催化剂的设计与合成、反应机理的理解、反应条件的优化等方面。
(完整)光催化原理及应用
光催化原理及应用起源光触媒，是一个外来词，起源于日本，由于日本文字写成“光触媒”,所以中国人就直接把她命名为“光触媒”。
其实日文“光触媒”翻译成中文应该叫“光催化剂”翻译成英文叫“photo catalyst”。
光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。
在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。
这一效果作为“ 本多· 藤岛效果” （Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师—--—东京工艺大学校长本多健一的名字.这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机的背景,世人对寻找新能源的期待甚为殷切，因此这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，但由于很难在短时间内提取大量的氢气，所以利用于新能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。
1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果.因此二氧化钛相关的专利数目亦最多，其它触媒关连技术则涵盖触媒调配的制程、触媒构造、触媒担体、触媒固定法、触媒性能测试等。
以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空气净化等领域的相关研究急剧增加，从1971年至2000年6月总共有10，717件光触媒的相关专利提出申请。
二氧化钛 TiO 2 光触媒的广泛应用，将为人们带来清洁的环境、健康的身体。
催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参加反应。
典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素,在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物.光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料，它涂布于基材表面，在光线的作用下,产生强烈催化降解功能:能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
环境问题
2、荒漠化 、
森林破坏速度：每年 万公顷， 森林破坏速度：每年1130万公顷，以0.35%毁灭； 万公顷 %毁灭； 荒漠化面积：～地球陆地1/4; ：～地球陆地 荒漠化面积：～地球陆地
环境问题
3、大气污染 、
全球每年排放SO 亿吨， 约为5千万吨 全球每年排放 2 2.9亿吨，NOx约为 千万吨，可吸入粉尘 亿吨 约为 千万吨， →酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病••• 酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病••• 酸雨
2.5、TiO2光催化降解的优点和不足 、 优势
能耗低，反应条件温和， 能耗低 ， 反应条件温和 ， 在紫外光和太阳光 照射下就可以发生反应 反应速度快， 反应速度快 ， 有机污染物可在几分钟到数小 时内被完全破坏 降解没有选择性，几乎能降解任何有机物。 降解没有选择性，几乎能降解任何有机物。 消除二次污染， 矿化产物为无机离子， 消除二次污染 ， 矿化产物为无机离子 ， CO2 ， H2O 廉价， 廉价，无毒 TiO2光催化反应催化剂易分离和重复使用
纳米氧化钛光催化材料及应用，高濂等， 纳米氧化钛光催化材料及应用，高濂等，化学工业出版社
利用所学的检索知识，查找纳米材料的特殊性质， 利用所学的检索知识，查找纳米材料的特殊性质， 并解释纳米尺度在光催化中的优势
2.2、污染物的处理方法简介 、
• 常规污染物方法包括：高温焚烧，活化污泥处理，厌氧消化和一 常规污染物方法包括：高温焚烧，活化污泥处理， 些常规物理化学处理。 些常规物理化学处理。 • 化学处理方法： 化学处理方法： 1. 化学氧化法：如，Fenton试剂和臭氧氧化法。 化学氧化法： 试剂和臭氧氧化法。 试剂和臭氧氧化法 2. 树脂吸附法：大孔吸附树脂具有大比表面、容易再生、能够回收 树脂吸附法：大孔吸附树脂具有大比表面、容易再生、 有机物等优点。 有机物等优点。 3. 乳状液膜分离：综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的优点，特别 乳状液膜分离：综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的优点， 适合 4. 半导体光催化氧化法： 半导体光催化氧化法：
• 当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带 当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到 激发到 导带(CB)形成光生电子 空穴。 形成光生电子 空穴。 导带 形成光生电子-空穴 • 价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。 价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。 • 空穴与 2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的自由基基团（ HO . ） 空穴与H 或 结合产生化学性质极为活泼的自由基基团（ • 电子与 2结合也会产生化学性质极为活泼的自由基基团 .O2-, HO . 等) 电子与O 结合也会产生化学性质极为活泼的自由基基团( • 空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2, H2O 空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为
TiO2的结构与性质
P25是70:30％锐钛矿 金红石混合物 是 ％锐钛矿-金红石混合物
TiO6
Ti O
金红石型
锐钛矿型
板钛矿型
TiO2晶型结构示意图
2.4、光催化的基本原理 、
• 半导体材料在紫外及可见光照射下，将污染物短时间内完全降解 半导体材料在紫外及可见光照射下，将污染物短时间内完全降解 在紫外及可见光照射下 或矿化成对环境无害的产物，或将光能转化为化学能 成对环境无害的产物 光能转化为化学能， 或矿化成对环境无害的产物，或将光能转化为化学能，这一过程 称为光催化 光催化。 称为光催化。 • 半导体光催化氧化降解有机物的作用机理： 半导体光催化氧化降解有机物的作用机理：
二、光催化的主要理论
2.1、一般背景 、
• 有毒废水通常采用氧化塘，地下储水池和垃圾场等手段处理。 有毒废水通常采用氧化塘，地下储水池和垃圾场等手段处理。 其结果是使土壤，地下水和地表水被污染。 其结果是使土壤，地下水和地表水被污染。 • 有毒有害有机物包括：挥发性有机物，氯代有机物，二噁英， 有毒有害有机物包括：挥发性有机物，氯代有机物，二噁英， 三氯乙烯(TCE)， 高氯酸乙烯 三氯乙烯 ， 高氯酸乙烯(PCE)， CCl4 ， HCCl3 ， CH2Cl2 ， ，p-氯苯，六氯环五烷二烯 氯苯， 氯苯 • 为此，发展先进的分析化学，生物化学，物理化学技术消除大 为此，发展先进的分析化学，生物化学， 土壤，水中的有毒化学物质势在必行。 气，土壤，水中的有毒化学物质势在必行。
导 导 导 带 禁 价 带 价 带 禁 带 Eg 带 价 带 带 带
Eg
导 体
半导体
绝缘体
λg (nm)＝1240/Eg (eV) ＝
Eg=3.2 eV, λg=387 nm
A: 半导体吸收光，产生电子和空穴的过程 半导体吸收光， B: 电子和空穴表面复合过程 C:电子和空穴体内复合过程 电子和空穴体内复合过程 D: 还原过程 E: 氧化过程
常见的光催化材料
铁的氧化物会发生光腐蚀 ZnO在水中不稳定，会在 粒子表面生成Zn(OH)2 金属硫化物在水溶液中不稳定，会 发生光腐蚀，且有毒！
光催化技术的发展历史
• 1972年，Fujishima 在半导体 年 在半导体TiO2电极上发现了水的光催化分解作 半导体光催化这一新的领域。 从而开辟了半导体光催化这一新的领域 用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。 • 1977年，Yokota发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催化 年 发现光照条件下， 发现光照条件下 活性，拓宽了光催化应用范围， 活性，拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新 思路。 思路。 • 此后，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研 此后，光催化技术在环保、卫生保健、 究发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。 究发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。
2.2、污染物的处理方法简介 、
利用光催化原理处理有机物，不仅可以直接利用太阳能，而且 利用光催化原理处理有机物，不仅可以直接利用太阳能， 对有机物的处理比较彻底， 对有机物的处理比较彻底，不带来新的污染源
2.3、TiO2光催化剂简介 、
WO3 Fe2O3 ZnO CdS TiO2 TiO2粉体
二氧化钛光催化材料
研究背景 光催化的主要理论 纳米TiO2光催化剂制备及表征 TiO2的其他应用 TiO2研究实例
一、研究背景
环境问题
1、温室效应 、
全球气候在近几十年同步变暖，明显开始发生温室效应。 全球气候在近几十年同步变暖，明显开始发生温室效应。
全球每年排放的CO2 高达 240亿吨之巨，几乎未经任何处理 全球每年排放的 亿吨之巨，几乎未经任何处理! 气候的变化，将对全球生态带来不可估量的影响。对于人类而言， 气候的变化，将对全球生态带来不可估量的影响。对于人类而言，灾难 可能就出现在“后天” 可能就出现在“后天”
离子掺杂修饰
金属离子掺杂 Fe3+、Co2+、Cr3+
非金属金属离子掺杂
碳、氮、硫及卤素
金属离子可捕导带中的电子，抑制电子和空穴的复合，但是掺杂浓 度过高，金属离子可能成为电子空穴复合中心。两者综合作用的结 果就形成一个波峰，金属离子的掺杂浓度对TiO2光催化效果的影响 通常呈现抛物线关系。
参考书
Ref:国家环境保护总局 《长江三峡工程生态与环境监测公报》 国家环境保护总局.《长江三峡工程生态与环境监测公报》 国家环境保护总局
1.3 出路与对策
环境污染的全球化关注
是有希望的技术， 半导体光催化是有希望的技术，可以大 量的应用于环境保护，例如，空气净化， 量的应用于环境保护，例如，空气净化， 有毒废水处理，水的净化等。 有毒废水处理，水的净化等。
不足
大都以汞灯为光源进行光催化降解， 大都以汞灯为光源进行光催化降解 ， 很少利用 太阳光作为光源 悬浮型和负载型光催化反应器中催化剂和光源 的利用率不高 光生电子-空穴对的转移速度慢， 复合率较高， 光生电子 空穴对的转移速度慢，复合率较高 ， 空穴对的转移速度慢 导致光催化效率低， 导致光催化效率低，反应转化率较低 通常只能用紫外光活化， 通常只能用紫外光活化，太阳光利用率低
洛杉矶光化学烟雾
酸雨效应
甘肃沙尘暴
环境问题
113重点城市空气质量级别
环境问题
4、水体污染 、
• 染料废水：是目前难降解的工业废水之一，其毒性大，色泽深， 染料废水：是目前难降解的工业废水之一，其毒性大，色泽深， 严重危害了生态环境。 严重危害了生态环境。 • 农药 ： 我国每年农药产量大约 万吨 ， 还从国外进口农药 农药：我国每年农药产量大约20万吨 还从国外进口农药75 万吨， 万吨。通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。 万吨。通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。
2.5、提高TiO2光催化活性的途径 、
目前的TiO2光催化剂存在两个问题：
①效率低 ②只能吸收紫外光
解决方法： 解决方法： 修饰
贵金属沉积 半导体复合 离子掺杂修饰
贵金属沉积 沉积Ag后的TiO2光催化性能
复合半导体
hυ
Eg=2.5 eV
+
Eg=3.2 eV
CdS
TiO2
CdS吸收可见光产生电子和空穴，电子会从CdS的导带流向更稳定的 TiO2的导带，并在TiO2的导带富集，而空穴会富集在CdS的价带，有 效分离光生电子与空穴，提高了光催化结果