光催化技术与应用优秀课件
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光催化原理PPT课件
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。
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。
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。
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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。
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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。
纳米光催化反应与应用PPT课件
催化光反应：光辐射被吸附分子吸收时，该分 子与基态催化剂相互作用。
敏化光反应：光辐射发生在催化剂上，处于激 发态的催化剂，将电子或 能量 转移给基态的吸附分子。
.
24
.
25
导带
价带
.
26
.
27
.
28
.
29
.
30
纳米半导体具有高光催化活性的原因：
（1）粒径小，量子尺寸效应显著，导带和价带的能隙变 宽，光生电子和空穴能量更高，具有更高的氧化、还原能 力； （2）粒径小，电子易于扩散到晶粒表面，减少光生电子 和空穴的复合，有效提高光效率； （3）粒径小，表面积增大，吸附反应物增强，促进光催 化反应；
的长度。
纳米科技：在纳米尺度空间（0.1～100nm）研究物质的特性和相
互作用。
.
7
在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学 科领域，在创造新的生产工艺、新的物质和新产品等方面有巨大潜能。
纳米材料：由1～100nm间的粒子组成，介于宏观物质和微观原子、分 子交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。
相光催化反应，如光解水、CO2和N2的固化、降解污染物、有机 合成等。
此外，纳米半导体能够催化体相半导体所不能进行的反应。 如 ZnS半导体粒子，对于光催化还原CO2显示出效率高达80%的 量子效率，而体相半导体则无任何光催化活性。
原因： （1）量子尺寸效应使导带和价带能级变为分立的能级，能隙变 宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。纳米半导体粒 子获得了更强的氧化和还原能力，提高光催化活性。 （2）粒径通常小于空间电荷层的厚度，可忽略空间电荷层的影 响。光生载流子可通过简单的扩散，从粒子内部迁移到粒子表 面，与电子给体或受体发生还原或氧化反应。
敏化光反应：光辐射发生在催化剂上，处于激 发态的催化剂，将电子或 能量 转移给基态的吸附分子。
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导带
价带
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纳米半导体具有高光催化活性的原因：
（1）粒径小，量子尺寸效应显著，导带和价带的能隙变 宽，光生电子和空穴能量更高，具有更高的氧化、还原能 力； （2）粒径小，电子易于扩散到晶粒表面，减少光生电子 和空穴的复合，有效提高光效率； （3）粒径小，表面积增大，吸附反应物增强，促进光催 化反应；
的长度。
纳米科技：在纳米尺度空间（0.1～100nm）研究物质的特性和相
互作用。
.
7
在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学 科领域，在创造新的生产工艺、新的物质和新产品等方面有巨大潜能。
纳米材料：由1～100nm间的粒子组成，介于宏观物质和微观原子、分 子交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。
相光催化反应，如光解水、CO2和N2的固化、降解污染物、有机 合成等。
此外，纳米半导体能够催化体相半导体所不能进行的反应。 如 ZnS半导体粒子，对于光催化还原CO2显示出效率高达80%的 量子效率，而体相半导体则无任何光催化活性。
原因： （1）量子尺寸效应使导带和价带能级变为分立的能级，能隙变 宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。纳米半导体粒 子获得了更强的氧化和还原能力，提高光催化活性。 （2）粒径通常小于空间电荷层的厚度，可忽略空间电荷层的影 响。光生载流子可通过简单的扩散，从粒子内部迁移到粒子表 面，与电子给体或受体发生还原或氧化反应。
半导体光催化基础光催化剂课件
半导体能带结构
能带理论
能带理论是描述固体中电 子运动的模型，它把电子 的运动状态分为不同的能 带。
价带和导带
价带是最高填满电子的能 带，导带是最低未被填满 电子的能带。
能隙
能隙是价带顶和导带底之 间的能量差，它决定了半 导体的光学和电学性质。
半导体光催化过程
光催化过程定义
光催化过程是在光的照射下，半导体 材料吸收能量，使得电子从价带跃迁 到导带，从而产生电子-空穴对的过程 。
化学沉淀法
总结词
化学沉淀法制备的光催化剂成本较低，但纯度较低。
详细描述
化学沉淀法是一种常用的光催化剂制备方法，通过向金属盐溶液中加入沉淀剂， 使金属离子形成沉淀物，再经过洗涤、干燥和热处理得到光催化剂。该方法制备 的光催化剂成本较低，但纯度较低，需要进一步提纯。
热解法
总结词
热解法制备的光催化剂具有较高的热稳定性和化学稳定性， 但制备过程需要高温条件。
详细描述
热解法是一种常用的光催化剂制备方法，通过将有机金属盐 或金属醇盐在高温下进行热解反应，得到光催化剂。该方法 制备的光催化剂具有较高的热稳定性和化学稳定性，但制备 过程需要高温条件，且原料成本较高。
其他制备方法
总结词
除了上述方法外，还有多种其他制备光催化剂的方法，如水热法、微波法等。
详细描述
光催化技术的发展历程
总结词
光催化技术的发展经历了基础研究、技术成熟和应用拓展三个阶段。
详细描述
光催化技术的研究始于上世纪70年代，最初主要是对光催化反应机理的基础研究。随着技术的不断发 展，进入90年代后，光催化技术逐渐走向成熟，并开始应用于实际生产中。目前，随着科研的深入和 技术进步，光催化技术的应用领域不断拓展，成为一种备受关注的环境友好型技术。
光催化原理演示教学
吸附技术 生物降解技术 催化氧化技术 高温焚烧技术
不能分解污染物、吸附饱和 使用周期短、二次污染 对难生物降解污染物无能为力 处理条件要求苛刻 系统运行稳定性较差
能耗较高、催化剂中毒 反应副产物二次污染
能耗高、产物二次污染
光催化技术 吸附技术
高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究
一、光催化简介高－性能学复科合前环沿境净化材料及其应用的基础研究
● 纳米固体超强酸型光催化剂
SO42-/TiO2, SO42-/SiO2-TiO2, Pt- SO42-/ TiO2
● 窄带无机半导体敏化型可见光光催化剂
InVO4/TiO2，LaVO4/TiO2，PS/TiO2，PZT/TiO2
● 金属或金属离子掺杂型光催化剂
Pt/TiO2， M3+/TiO2 (M3+= Gd3+，La3+，Pr3+)
催化剂
比表面积 孔体积 锐钛矿含量 平均晶粒度
（m2/g） （ml/g）
（%）
（nm）
SO42-/TiO2
154
0.21
100
5.6
TiO2 (P-25)
50
－
75
30
酸强度 （H0） ≤ -12.44
≥ -3.0
氧吸附量 (mmolg-1)
0.54 0.31
光催化活性（%）
甲醛 溴代甲烷 乙烯
96.0
F(R)
0.06
0.03
TiO2-xNx
InVO4
InVO/4TiO2
0.00 TiO2
400
500
600
700
Wavelength (nm)
J. Mater. Chem., 2019, 16, 1116
4光催化及其应用PPT课件
光催化及其应用
• 太阳能分解水的基本原理； • Na2S水溶液光催化制氢气； • 光催化剂的研究； • 光催化实验装置和录像； • 结语。
地球上的自然能量资源
太阳能的利用
1.转化为电能——太阳能电池； 2.转化为化学能——光合成
植物光合作用——生成物为糖类 和氧气——是一种储能过程；
人工光合成——水分解为氢气和 氧气——氢能源。
• 食盐电解；天然气及乙醇等的水蒸气改 性等；
• 通过光催化剂，利用太阳能，分解水制 氢气；
太阳能光催化制氢
• 氢气的生成反应与太阳能电池的电解类 似，由于在催化剂表面直接供给电子， 与电解相比，电能的损耗少，从而光催 化的效率高。
太阳光谱的波长与强度
光催化剂
• 光照射引起催化作用的物质 通过适当波长的光进行照射，催化
• 水的光催化分解，意义明显，但对于可 见光，效率仍然偏低；
• N的a混2S合水，溶因液此可，认实为质是是H2光S和催N化aO分H解水H溶2S液制 取氢气。
• H2S的分解电位为0.298eV，大约只相当 于水的1/4。对催化剂而言，能带大于 0.298eV，可见光就可发挥作用。
Na2S水溶液的光化学反应
Ultraviolet-Visible Spectrophotometer (UV-VIS)
剂的表面活性提高，对与其相接触的物 质产生作用。
提高反应速度，即难以进行的反应 变得容易；
本身不分解，可反复使用。
固 体 光 催 化 剂
光催化的反应原理
当波長在400nm以下的紫外线照 射在超微粒TiO2時，在价电子帶 (valence band, VB)的电子(e-)被紫 外线的能量(3ev)所激发跃升到传 导帶(conduction band, CB)，此时 在价电子帶便会产生帶正电的正 孔 (hole),而形成一组电子- 电洞 对。 二氧化钛则利用所产生的电洞的 氧化力及电子的还原力和表面接 触的H2O，O2发生作用，产生氧 化力极強之自由基‧ O-，‧ O2-， ‧O3-，‧ O及‧ OH-，而进行杀菌、 除臭、分解有机物等作用
• 太阳能分解水的基本原理； • Na2S水溶液光催化制氢气； • 光催化剂的研究； • 光催化实验装置和录像； • 结语。
地球上的自然能量资源
太阳能的利用
1.转化为电能——太阳能电池； 2.转化为化学能——光合成
植物光合作用——生成物为糖类 和氧气——是一种储能过程；
人工光合成——水分解为氢气和 氧气——氢能源。
• 食盐电解；天然气及乙醇等的水蒸气改 性等；
• 通过光催化剂，利用太阳能，分解水制 氢气；
太阳能光催化制氢
• 氢气的生成反应与太阳能电池的电解类 似，由于在催化剂表面直接供给电子， 与电解相比，电能的损耗少，从而光催 化的效率高。
太阳光谱的波长与强度
光催化剂
• 光照射引起催化作用的物质 通过适当波长的光进行照射，催化
• 水的光催化分解，意义明显，但对于可 见光，效率仍然偏低；
• N的a混2S合水，溶因液此可，认实为质是是H2光S和催N化aO分H解水H溶2S液制 取氢气。
• H2S的分解电位为0.298eV，大约只相当 于水的1/4。对催化剂而言，能带大于 0.298eV，可见光就可发挥作用。
Na2S水溶液的光化学反应
Ultraviolet-Visible Spectrophotometer (UV-VIS)
剂的表面活性提高，对与其相接触的物 质产生作用。
提高反应速度，即难以进行的反应 变得容易；
本身不分解，可反复使用。
固 体 光 催 化 剂
光催化的反应原理
当波長在400nm以下的紫外线照 射在超微粒TiO2時，在价电子帶 (valence band, VB)的电子(e-)被紫 外线的能量(3ev)所激发跃升到传 导帶(conduction band, CB)，此时 在价电子帶便会产生帶正电的正 孔 (hole),而形成一组电子- 电洞 对。 二氧化钛则利用所产生的电洞的 氧化力及电子的还原力和表面接 触的H2O，O2发生作用，产生氧 化力极強之自由基‧ O-，‧ O2-， ‧O3-，‧ O及‧ OH-，而进行杀菌、 除臭、分解有机物等作用
光催化原理及应用
光催化原理及应用光催化（Photocatalysis）是一种利用光能催化化学反应的方法，是一种高效、环境友好的技术。
它利用可见光或紫外光激发催化剂表面的电子，使其具有一定的化学反应能力，从而加速化学反应的进行。
光催化技术在环境保护、能源研究、新材料合成等领域具有广泛的应用前景。
光催化的原理基于半导体的光激发电子转移和表面吸附催化反应。
在光催化反应中，半导体光催化剂是主要的催化剂。
当光照射到半导体表面时，能量较大的光子会激发半导体的电子，形成激发态电子-空穴对。
激发态电子可以通过光激发电子转移至半导体表面，而空穴则在半导体内部不断扩散。
当激发态电子和空穴与吸附在半导体表面的分子或物质发生反应时，可以产生诸如催化氧化、还原以及分解等化学反应。
通过这种方式，光催化剂可以提高反应速率，减少能量消耗，并且在反应过程中不参与其中。
光催化技术在环境保护中有着广泛应用。
例如，光催化技术可以用于水处理，通过催化剂吸附和氧化分解水中的有机物污染物，从而提高水的质量。
此外，光催化技术也可以用于空气净化，对空气中的甲醛、苯等有害气体进行降解和分解。
光催化还可以用于净化废气，减少有害气体的排放。
光催化技术在能源研究中也有着重要应用。
例如，光催化技术可以利用太阳能将光能转化为化学能，用于水分解产生氢气。
这种方法可以解决能源储存和利用过程中的难题，同时也是一种清洁的能源生产方式。
此外，光催化技术还可以用于制备太阳能电池、光电催化制氢电极等器件，实现能源的高效利用。
光催化技术在新材料合成领域也有着广泛的应用。
通过光催化技术，可以合成出一些具有特殊功能的材料。
例如，利用光催化技术可以合成出具有高效催化活性的催化剂材料，用于提高化学反应的效率。
此外，光催化技术还可以用于合成各类光电功能材料，如光电传感器、光催化材料等。
总之，光催化技术凭借其高效、环境友好的特点，在环境保护、能源研究和新材料合成等领域具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，光催化技术将会发挥更大的作用，为人类创造更美好的生活。
光催化-PPT精选
• (iii) the states in the gap should overlap
sufficiently with the band states of TiO2 to transfer photoexcited carriers to reactive sites at
the catalyst surface within their lifetime.
QD sensitization
Siguang Chena, Maggie Paulose, Journal of Photochemistry and Photobiology A:
Chemistry, 2019,vol.177: 177; 张金龙，陈锋等，《光催化》，上海，华东理工大学出版社，2019；
Outline Overview Binary metal oxide
Mixed metal oxides Dye sensitization QD sensitization Doping
Ternary or more
Synergistic effect Co-sensitization
Summary References Acknowledgment
The amount of implanted Cr ions: (a) 0, (b) 3 *1016 and (c) 6*1016 Cr ions/cm2.
Masato Takeuchia, Hiromi Yamashita et al., Catalysis Letters, 2000, vol.67 135;
Jin Zhong Zhang, Materials Research Society, 2019,Vol.36: 48;
光催化演示课件
16
❖ 半导体结构与绝缘体类似，所不同的是Eg较窄，电 子从价带克服禁带能垒跃迁至导带有两种途径。
❖ 一种可以通过热激发或光激发实现。 ❖ 另一种通过掺杂改变半导体材料的电子分布状况实
现。
17
掺杂半导体
❖ 在半导体中含有少量杂质原子称为掺杂半导体。 ❖ 若掺杂原子的价电子除了成键外还有剩余，则为施
7
❖ 近20年来，半导体光催化氧化技术获得了较大发展， 国内外围绕着半导体光催化材料的制备、改性、表
征、作用机理和应用等方面进行研究。这对开发新
型高效的污染物处理技术必将起到重大推动作用。 ❖ 常见的光催化剂有哪些？
8
❖ 光触媒的材料众多，包括TiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3、ZrO2、 CdS等半导体，在早期曾使用CdS和ZnO作为光触媒材料， 但是二者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解， 溶出有害的金属离子，故仅部分工业光催化领域还在使用。
41
❖ 催化剂的影响 光催化剂带隙宽度决定光的利用率，不同催化剂活性不同。 同种光催化剂对不同的反应效果会显著不同，即使这些相同， 由于催化剂的结构和表面形态的区别，如催化剂晶型结构、 晶格缺陷、晶粒尺寸及其表面积等，使光催化活性也有差异。 催化剂结构如何能影响光催化活性？
42
光催化材料的结构与性能
高效光催化材料的设计、 制备与应用
1
内容
❖ 发展背景 ❖ 能带理论 ❖ 光催化理论 ❖ 光催化反应的影响因素 ❖ 光催化材料的结构与性能 ❖ 光催化剂的制备方法 ❖ 光催化剂的表征方法 ❖ 光催化材料的应用 ❖ 存在的问题与展望
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。
❖ 半导体结构与绝缘体类似，所不同的是Eg较窄，电 子从价带克服禁带能垒跃迁至导带有两种途径。
❖ 一种可以通过热激发或光激发实现。 ❖ 另一种通过掺杂改变半导体材料的电子分布状况实
现。
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掺杂半导体
❖ 在半导体中含有少量杂质原子称为掺杂半导体。 ❖ 若掺杂原子的价电子除了成键外还有剩余，则为施
7
❖ 近20年来，半导体光催化氧化技术获得了较大发展， 国内外围绕着半导体光催化材料的制备、改性、表
征、作用机理和应用等方面进行研究。这对开发新
型高效的污染物处理技术必将起到重大推动作用。 ❖ 常见的光催化剂有哪些？
8
❖ 光触媒的材料众多，包括TiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3、ZrO2、 CdS等半导体，在早期曾使用CdS和ZnO作为光触媒材料， 但是二者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解， 溶出有害的金属离子，故仅部分工业光催化领域还在使用。
41
❖ 催化剂的影响 光催化剂带隙宽度决定光的利用率，不同催化剂活性不同。 同种光催化剂对不同的反应效果会显著不同，即使这些相同， 由于催化剂的结构和表面形态的区别，如催化剂晶型结构、 晶格缺陷、晶粒尺寸及其表面积等，使光催化活性也有差异。 催化剂结构如何能影响光催化活性？
42
光催化材料的结构与性能
高效光催化材料的设计、 制备与应用
1
内容
❖ 发展背景 ❖ 能带理论 ❖ 光催化理论 ❖ 光催化反应的影响因素 ❖ 光催化材料的结构与性能 ❖ 光催化剂的制备方法 ❖ 光催化剂的表征方法 ❖ 光催化材料的应用 ❖ 存在的问题与展望
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。
光催化第二章PPT课件
TiO2的等电点pHZPC=5.8， 所以，pHZPC处的导带位置ECB=－0.1－0.059pH=－0.44
三、通过测定平带点位实验获取
• n型半导体：平带点位接近导带，可以认为就是导带位置； • p型半导体：平带点位接近价带，可以认为就是价带位置； • 如果已知带隙宽度就可以确定能带位置。
上述机理最重要的是阐明电荷迁移过程，光催化
本质上是氧化还原过程，目前较好的研究手段是光电 化学方法
电化学技术研究过程 电化学技术研究
电子迁移
注入能量
高灵敏和快捷
表征光催化动 力学特征
提高催化速 率
获得实时动 力学数据
估测带隙宽度、能级位置和电 荷迁移特别是界面电荷迁移
2.5.1 光电化学理论基础
本征半导体的载流子浓度低，电子和空穴数接近，Fermi能级位于带隙中间位置，表明电 子在价带出现的概率很高而在导带中出现的概率很低。通过杂质掺杂本征半导体、或者非计量 化合物半导体等，半导体都表现n型或P型半导体的特征。
2.3光学性质分析
• 2.3.1 固体紫外-可见漫反射光谱
半导体光催化材料具有其特性，因此有一些满足其特性的表征方法。作为光催化剂，其高效宽谱的光学
吸收性能是保证光催化活性的一个必要而非充分条件，因此分析固体光催化的官学吸收性能是必不可少
的。由于固体样品存在大量的散射，所不能直接测定样品的吸收。通常采用固体紫色-可见漫反射光谱
(1-4)
调节外电压，当施加正向偏压时，Vsc增大促进电子和空穴分离；当施加负向偏压，Vsc减小， 使得Vs为零时对应的外加电压值成为平带电压Vfb。
n型：Vfb=Ecs-μ； p型：Vfb=Evs+μ
(1-5)
n型半导体表面导带电位和平带电位差μ；p型半导体表面价带电位和平带电位差μ，μ是一个在
光催化技术及其应用 科普
石建稳活跃在我们身边的光催化光催化原理光催化历史回顾光催化应用纳米TiO 2光催化剂简介报告提纲报告提纲提高TiO 2光催化活性的途径活跃在我们身边的光催化室内空气净化器车载空气净化器冷暖型壁挂直流变频空调，光催化过滤网活跃在我们身边的光催化光催化冰箱：除臭、保鲜玻璃外墙：自清洁汽车后视镜：防雾活跃在我们身边的光催化光催化捕蚊器光催化盘景艺术活跃在我们身边的光催化光催化原理光催化历史回顾光催化应用纳米TiO 2光催化剂简介报告提纲报告提纲提高TiO 2光催化活性的途径光催化原理什么是光催化？表征光催化剂：是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，光催化剂是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围的氧气及水分子激发成极具氧化力的自由负离子。
几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，而且不造成资源浪费与附加污染形成。
最具代表性的例子为植物的"光合作用"，吸收二氧化碳，利用光能转化为氧气及水。
光催化：就是在光的作用下进行的催化反应。
光催化剂吸收特定波长的光辐射后，受激产生电子空穴对，随后引发一系列的化学反应。
光催化原理植物光合作用表征光催化作用氢气氧气光催化剂光催化原理老化光催化原理示意图光催化原理电子激发及迁移过程示意图光催化原理eh TiO hv TiO 22HOH h O H 2OHh OH22O e OOHOOH O O H 222222O H O OHOHO H e O H OOH 222OHOH e O H 22OHOH O O H 2222O OH OH CO 22 有机物活跃在我们身边的光催化光催化原理光催化历史回顾光催化应用纳米TiO 2光催化剂简介报告提纲报告提纲提高TiO 2光催化活性的途径光催化历史回顾Tokyo, JapanPhotoelectrochemical cellused in the photolysis ofwaterCitations per year of the 1972 Nature paper1976 年John. H .Carey 等研究了多氯联苯的光催化氧化，被认为是光催化技术在消除环境污染物方面的首创性研究工作。
光催化原理PPT课件
光催化的基本知识
化学与药学院 马永超
1
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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
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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。
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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
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。
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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
金红石（ rutile）
化学与药学院.
光催化原理
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化学与药学院.
半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于 金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带 (ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。
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
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 马永超
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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
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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。
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化学与药学院.
光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
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反应体系的相态
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。
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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
金红石（ rutile）
化学与药学院.
光催化原理
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化学与药学院.
半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于 金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带 (ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。
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
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。
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O 2/H 2O
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各种常用半导体的能带宽度和能带边缘电位示意图（pH = 0）
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纳米TiO2光催化剂简介
➢光催化技术的发展历史
2020/10/9
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2光催化剂的优点
2020/10/9
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2的结构与性质
锐钛矿型:共边
TiO2晶型结 构示意图
当用能量等与或大于禁带宽度（Eg）的光照射时，半导体 价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相应的 空穴，这样就在半导体内部生成电子（e-）－空穴（h+）对。
2020/10/9
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纳米TiO2光催化剂简介
➢半导体价带的光激发
空气和溶液 中通常是氧
固体中的光激发和脱激过程
2020/10/9
e-
④
Ox-
① ②
HO Ti ⑦
Red+ →→→CO2,Cl,H+,H2O
Tetragonal system
Lattice constant
a
c
5.27 9.37
Lengths of Ti-O bond
/nm 0.195
Eg/eV 3.2
rutile
4.22 Tetragonal 9.05 5.8
0.199
3
system
brookite
4.13 Rhombic system
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纳米TiO2光催化剂简介
➢锐钛矿相和金红石相TiO2的能带结构
CB/e-
Hale Waihona Puke 0.2eV CB/e-两者的价带位置相同，光生 空穴具用相同的氧化能力;但
锐钛矿相导带的电位更负，光 生电子还原能力更强
3.2eV VB/h+
3.0eV VB/h+
混晶效应：锐钛矿相与金红 石相混晶氧化钛中，锐钛矿表 面形成金红石薄层，这种包覆 型复合结构能有效地提高电子 -空穴的分离效率
掺杂半导 体
P型半导体（依靠空穴进行导电）
半导体的能带结构 Eg＜ 3eV
导带 禁带 价带
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纳米TiO2光催化剂简介
实际半导体中，由于半导体材料中不可避免地存在杂质和各 类缺陷，使电子和空穴束缚在其周围，成为捕获电子和空穴的陷 阱，产生局域化的电子态，在禁带中引入相应电子态的能级。N
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纳米TiO2光催化剂简介
➢光生电子—空穴对的氧化还原机理
2020/10/9
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2光催化主要反应步骤
价带空穴诱发氧化反应
捕获价带空穴生成Titanol基团
hv
复 合
导带电子诱发还原反应
2020/10/9
捕获导带电子生成Ti3+
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纳米TiO2光催化剂简介
⑥
Ti
光催化反应是光和物质之间相互作用的多种方式之一，是 光反应和催化反应的融合，是光和催化剂同时作用下所进行 的化学反应。
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纳米TiO2光催化剂简介
半导体光催化剂有ZnS、TiO2、ZnO、CdS、SnO2和Fe3O4 等，但是ZnS、ZnO、 SnO2 、CdS 和Fe3O4等的光腐蚀现象时 常发生，严重降低了催化活性，而TiO2是一种新型的无机金属 氧化物材料，它是一种N型半导体材料，由于具有较大的比表 面积和合适的禁带宽度，因此具有优异的光催化活性，并且价 格便宜，无毒无害，且能够连续使用而不失活。
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纳米TiO2光催化剂简介
半导体是指电导率在金属电导率（约104~106Ω/cm)和电介质电导
率（＜1-10 Ω/cm)之间的物质，一般的它的禁带宽度Eg小于3eV。
本征半导体（纯的半导体，不含有任何杂质，禁带
半导体
中不存在半导体电子的状态,即缺陷能级) N型半导体 （依靠自由电子进行导电）
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纳米TiO2光催化剂简介
➢ TiO2光催化材料的特性
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研究方向：TiO2改性，提高太阳能的转化率及光催化 效率
TiO2是当前最具有应用潜力的光催化剂
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2光催化剂的催化机理
半导体的能带结构
半导体存在一系列的满带，最上面的满带成为价带 （valence band，VB）；存在一系列的空带，最下面的空带称 为导带（conduction band，CB）；价带和导带之间为禁带。
LUMO
导
带
能
量
价 带
HOMO
半导体能带宽度与粒子大小N(Å)的关系示意图
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纳米TiO2光催化剂简介
1.1 2.2
2.4 3.2 2.8 3.03
3.2 3.6
3.8
-1 ENHE
CdS
ZnO
TiO2 SrTiO3
0
Fe2O3
WO3
1 Si
2 ZnS
3
SnO2
H +/H 2
型半导体的缺陷能级Ed靠近导带，P型半导体的Ea靠近价带。
导带 Ec Ed
价带
Ev
N型半导体的能级
导带 Ec
Ea
价带
Ev
P型半导体的能级
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➢为什么要用纳米纳半米导体T光iO催2化光剂催？ 化剂简介
原子 轨道
N=1
分子 轨道
N=2
簇物
N=10
量子化 粒子
半导体
N=2000 N>>2000
光催化技术与应用优秀课件
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第六章 光催化技术与应用
纳米TiO2光催化剂简介 纳米TiO2光催化剂的制备 纳米TiO2光催化剂的表征 纳米TiO2光催化剂的应用
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纳米TiO2光催化剂简介
➢ 什么是多相光催化？
多相光催化是指在有光参与的情况下，发生在催化剂及表 面吸附物（如H2O，O2分子和被分解物等）之间的一种光化 学反应。
TiO6
Ti
O
金红石型：共顶点且共边
TiO2是n型半导体，氧空位（O2-）缺位是点缺陷部位，包括晶格氧空 位、单桥氧空位、双桥氧空位。
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2晶体的基本物性
Crystal structures
anatase
Relative density
3.84
Type of lattice
2020/10/9
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纳米TiO2光催化剂简介
纳米TiO2是一种附加值很高的精细无机功能材料，尺寸 约在1nm－100nm之间。由于颗粒尺寸的微细化，使得纳米 TiO2具有块状材料所不具备的独特性质。其特有的小尺寸效 应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应、宏观量子隧 道效应，导致纳米二氧化钛的光催化活性、降解有机物的深 度以及光量子产率均较常规氧化钛有大幅度的提高，因而纳 米氧化钛光催化材料正成为纳米科技较早直接造福人类的有 力工具。