第三章 光催化及材料ppt课件
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光催化原理PPT课件
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
这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技 术典型的应用，一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。 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 。
14
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。
15
化学与药学院.
能激发二氧化钛的光子 ❖ 什么样的光子能激发二氧化钛呢？
从理论结构上来说，锐钛二氧化钛的导带与价带之间的间隙（能隙）是3.2eV ， 而金红石二氧化钛为3.0eV。虽然锐钛矿需要略多的能量来激发，但是同样的锐 钛矿的二氧化钛光触媒具有更强的氧化能力，所以被更为广泛的使用。
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
这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技 术典型的应用，一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。 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 。
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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。
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化学与药学院.
能激发二氧化钛的光子 ❖ 什么样的光子能激发二氧化钛呢？
从理论结构上来说，锐钛二氧化钛的导带与价带之间的间隙（能隙）是3.2eV ， 而金红石二氧化钛为3.0eV。虽然锐钛矿需要略多的能量来激发，但是同样的锐 钛矿的二氧化钛光触媒具有更强的氧化能力，所以被更为广泛的使用。
第三章 光催化原理
*造成严重的水资源污染—环境修复的焦点
3.2.2 目前常用的处理方法
✓ 物理处理法——处理程度不高，通常用于预处理
✓ 化学处理法——药品用量大，成本高；可能造成二次
污染
✓ 生物处理法——成本低、耗时长，对可生化性差的有
机物效果不理想
常用处理方法的比较
3.2.3 高级氧化技术—光催化氧化法
有机物
How TiO2 photocatalysis works
E(V) pH 7
-0.8
cb
Ebg 3.2 eV
+2.4 vb
O2
e-
O2.- HO2. H2O2
bulk recombination surface recombination
h+
HO. ，·R
hv Ebg
激发光的能量大于 半导体的禁带宽度
Visible light; (f) POM-resin, H2O2, visible light. [RB] ) 2.0 10-5 M; [H2O2]) 2.0 10-3 M; pH 2.5. Inset: UV-visible spectra changes of RB in the supernatant during irradiation for trace f.
提高催化活性的途径—贵金属沉积
W.Zhao, C.Chen, L.Xiang, J.百度文库hao. J.Phys.Chem.B 106 (2002):5022-5028
3.2.2 目前常用的处理方法
✓ 物理处理法——处理程度不高，通常用于预处理
✓ 化学处理法——药品用量大，成本高；可能造成二次
污染
✓ 生物处理法——成本低、耗时长，对可生化性差的有
机物效果不理想
常用处理方法的比较
3.2.3 高级氧化技术—光催化氧化法
有机物
How TiO2 photocatalysis works
E(V) pH 7
-0.8
cb
Ebg 3.2 eV
+2.4 vb
O2
e-
O2.- HO2. H2O2
bulk recombination surface recombination
h+
HO. ，·R
hv Ebg
激发光的能量大于 半导体的禁带宽度
Visible light; (f) POM-resin, H2O2, visible light. [RB] ) 2.0 10-5 M; [H2O2]) 2.0 10-3 M; pH 2.5. Inset: UV-visible spectra changes of RB in the supernatant during irradiation for trace f.
提高催化活性的途径—贵金属沉积
W.Zhao, C.Chen, L.Xiang, J.百度文库hao. J.Phys.Chem.B 106 (2002):5022-5028
光催化材料毕业论文PPT
酸铋的性能
2 在原有基础上添加其余成分（进
行元素掺杂）优化已有产品
3
复合型光催化剂在紫外光下的
降解性能不清楚
研究背景 选题原因 研究方法 研究结果 论文总结
研究方法
用固相合成法 合成BiVO4前 驱物
1
5
找出最优合成 BiVO4的实验 条件
2
4
用浸渍法对 BiVO4掺杂
3 Ag形成复
合型光催化 剂
学校LOGO
2023最新整理收集 do something
XX届应届本科生学位论文答辩
我论ຫໍສະໝຸດ Baidu文题毕目：业XXXX啦X
其实是答辩的标题地方
指导老师 XXXX 答辩人 XXX 学号 XXX 专业 XXX
答辩时间 XXXX
论文框架
研究背景 选题原因 研究方法 研究结果 论文总结 致谢
研究背景 选题原因
1
2
3
4
STEP 2 合成Ag-BiVO4 用浸渍法合对BiVO4
进行银掺杂
STEP 4
算脱色率并
作图分析
紫外及可见光光度计在
664nm下测定吸光度
研究背景 选题原因
图表分析 1
研究方法
研究结果
论文总结
研究背景 选题原因
图表分析 2
研究方法
研究结果
论文总结
2 在原有基础上添加其余成分（进
行元素掺杂）优化已有产品
3
复合型光催化剂在紫外光下的
降解性能不清楚
研究背景 选题原因 研究方法 研究结果 论文总结
研究方法
用固相合成法 合成BiVO4前 驱物
1
5
找出最优合成 BiVO4的实验 条件
2
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用浸渍法对 BiVO4掺杂
3 Ag形成复
合型光催化 剂
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研究背景 选题原因 研究方法 研究结果 论文总结 致谢
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1
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进行银掺杂
STEP 4
算脱色率并
作图分析
紫外及可见光光度计在
664nm下测定吸光度
研究背景 选题原因
图表分析 1
研究方法
研究结果
论文总结
研究背景 选题原因
图表分析 2
研究方法
研究结果
论文总结
光催化ppt课件
TiO2 hv e -+h+
--过程
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半导体的光激发及在液体中的反应机理
23
❖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。而 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CO 和H O,甚至对一些无机物也能彻底分解。
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
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光催化基本理论
❖ 光催化反应机制及过程
（1)光激发过程
半导体的能带不连续，具有由价带和导带构成的带隙。当用能量 等于或大于带隙的光照射时，电子受激跃迁，形成电子－空穴对。
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。
光催化及材料课件
光催化及材料课件
一、引言
光催化是一种利用光能驱动化学反应的过程，具有高效、环保、可持续等优点。光催化材料是实现这一过程的关键，其性能直接影响到光催化反应的效率和稳定性。本课件将介绍光催化及材料的基本原理、分类、制备方法、表面改性以及在环保领域的应用。
二、光催化基本原理
光催化反应的基本原理是：当光照射到光催化材料表面时，材料吸收光能并产生电子-空穴对。这些电子和空穴具有很强的氧化还原能力，可以与吸附在材料表面的物质发生氧化还原反应，从而实现光催化过程。
三、光催化材料的分类
根据材料的能带结构和光电特性，光催化材料可分为半导体光催化材料和非金属光催化材料。半导体光催化材料是最常用的一类，包括氧化物、硫化物、氮化物等。非金属光催化材料则主要包括碳基材料、石墨烯等。
四、光催化材料的制备方法
光催化材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、微乳液法、气相沉积法等。这些方法各有优缺点，可根据具体需求和条件选择合适的制备方法。
五、光催化材料的表面改性
为了提高光催化材料的性能，常需要对其进行表面改性。表面改性的方法包括离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合、染料敏化等。这些方法可以有效地提高光催化材料的吸光性能、电荷分离效率、稳定性等。
六、光催化材料在环保领域的应用
光催化材料在环保领域具有广泛的应用前景，主要用于有机污染物降解、水分解制氢、空气净化等方面。例如，利用光催化材料可以降解废水中的有机染料、农药等污染物，实现废水的净化处理。此外，光催化材料还可以用于室内空气净化，去除甲醛、苯等有害气体。
七、结论与展望
半导体光催化基础第三章光催化剂-PPT文档资料
光诱导染料分子与半导体间的电荷转移
将染料分子2,2’-双吡啶-4,4’羧基钌的衍生物（Cis-
X2Bis,2,2’-bipyridyl-r,r’dicarboxylate）rufhenium(II), X=Cl-,Br-,I,CN-,SCN-)键合在单晶TiO2 电极上，发现RuL2(SCN)2具 有更宽的可见光吸收范围和 较长的激发态寿命，在作为 太阳能的吸收剂和对宽带半 导体的敏化剂方面显示突出 的性能。
力子渐倾下学非向移平于直衡向到体能两系量相。较达因低到此的热P，力t位在学转暗平移态衡并条为使件止T下（iO， 图2T3的.i1O费82）米的。能价其级带结逐电 果产是生P了t上等累量积的了空一穴定。数这量种的自离由域空电穴子将，会而参在与T导iO电2。价这带就中 是某些研究中暗态下发现空穴电流的原因。此外，在带 隙光照下，由于光生空穴的贡献，还会出现空穴电流的 增强效应。
3.6 光催化剂
光催化研究的核心在于对于指定反应如何 开发出一个高效、稳定、廉价的优良的光 催化剂 。
目前，催化剂的制备“艺术”，仍然停留 在经验或半经验的水平 。
3.6.1 光催化设计的一般原则
（1）半导体材料的选择
分类：
1. 价带电位较正，氧化能力较强的“O” 型（如WO3等）；
光敏化剂（染料） 敏化半导体的激发、电荷转移过程示意图
3.7.2 窄禁带半导体敏化剂
光催化ppt课件
❖ 随着研究深入，人们发现半导体光催化技术在去除污 染物等方面，具有能耗低、氧化能力强、反应条件温 和、操作简便，可减少二次污染等突出特点，有广阔 应用前景。
4
❖ 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。此后，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。
❖ 导带：价带以上能量最低的允带称为导带。 ❖ 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，
Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。---图
14
15
❖ 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成 电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中 的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的 电子和带正电的空穴。
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。
4
❖ 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。此后，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。
❖ 导带：价带以上能量最低的允带称为导带。 ❖ 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，
Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。---图
14
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❖ 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成 电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中 的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的 电子和带正电的空穴。
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。
光催化材料PPT课件
尽管面临诸多挑战，光催化材料的发展仍充满机遇。随着人们对环境保护和能源需求的日益重视，光催化技术在水体净化、 空气净化、太阳能转化等领域的应用前景广阔。同时，随着技术的不断进步和应用范围的扩大，光催化材料将有望成为未来 绿色能源和环境治理领域的重要支撑技术之一。
THANKS
感谢观看
光催化材料的应用领域
总结词
光催化材料在环保、能源、医疗等领域具有广泛的应用前景 。
详细描述
光催化材料在环保方面可用于降解有机污染物、杀菌消毒、 去除有害气体等；在能源方面可用于光解水制氢、太阳能电 池、光催化燃料合成等；在医疗方面可用于抗菌、药物释放 、生物成像等。
光催化材料的分类
总结词
光催化材料主要分为金属氧化物、硫化物、氮化物等几大类。
光催化材料ppt课件
• 光催化材料简介 • 光催化材料的特性 • 光催化材料的制备方法 • 光催化材料的应用实例 • 光催化材料的研究进展与展望
01
光催化材料简介
光催化材料的定义
总结词
光催化材料是指在光照条件下能够激发电子，产生氧化还原能力，从而催化化 学反应的半导体材料。
详细描述
光催化材料是一种特殊的半导体材料，其价带和导带之间的能级差正好可以吸 收特定波长的光子，从而产生光生电子和空穴。这些电子和空穴具有强还原和 氧化能力，可以用于催化各种化学反应。
去除异味
THANKS
感谢观看
光催化材料的应用领域
总结词
光催化材料在环保、能源、医疗等领域具有广泛的应用前景 。
详细描述
光催化材料在环保方面可用于降解有机污染物、杀菌消毒、 去除有害气体等；在能源方面可用于光解水制氢、太阳能电 池、光催化燃料合成等；在医疗方面可用于抗菌、药物释放 、生物成像等。
光催化材料的分类
总结词
光催化材料主要分为金属氧化物、硫化物、氮化物等几大类。
光催化材料ppt课件
• 光催化材料简介 • 光催化材料的特性 • 光催化材料的制备方法 • 光催化材料的应用实例 • 光催化材料的研究进展与展望
01
光催化材料简介
光催化材料的定义
总结词
光催化材料是指在光照条件下能够激发电子，产生氧化还原能力，从而催化化 学反应的半导体材料。
详细描述
光催化材料是一种特殊的半导体材料，其价带和导带之间的能级差正好可以吸 收特定波长的光子，从而产生光生电子和空穴。这些电子和空穴具有强还原和 氧化能力，可以用于催化各种化学反应。
去除异味
《光催化技术》PPT课件
2021/3/8
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TiO2光催化膜的表面形貌
由图看出，TiO2膜是 由许多TiO2微小颗粒 构成的呈交叉网状结 构的多孔-微晶立体 膜。膜的真实比表面 很大，对光的吸收十 分有利。
2021/3/8
15
光催化技术应用领域
2021/3/8
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2021/3/8
17
光催化循环水处理系统
2021/3/8
2021/3/8
11
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 ” （HondaFujishima 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。
4
光催化氧化反应机理
光催化氧化反应以半导体为催化剂，以光为能量，将有机物 降解为CO2和水。反应机理如下：
下图是半导体的能带结构示意图。由图可见，半导体能带结 构与金属不同的是价带(VB)和导带(CB)之间存在一个禁带。用 作光催化剂的半导体一般具有较大的禁带宽度，有时称为宽带 隙半导体。
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
消毒，完全在反应区内完成，空
气经消毒离开，不带有任何对空
气造成其他再污染的物质，属于
光催化演示课件
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。
❖ 一般催化剂本身特性，催化剂表面状态（电荷、吸 附物质、缺陷、组成）、反应介质条件（pH值、溶 剂）、反应物种类浓度、反应物吸附及产物解析、 氧浓度、光源（波长、强度、距离）等对光催化反 应有决定性影响。
26
❖ 催化剂的影响 ❖ a.催化剂禁带宽度决定光的利用率:λ(nm)=1240/Eg(eV)
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。
光源及光强
32
❖ 光源及光强的影响 光催化实验的光源多为中压汞灯，还有高压汞灯、低压汞灯 和氙灯。如TiO2的禁带宽度为3.2eV，只有λ≤387.5nm的入 射光才能被激发；此外增加所需波长范围内的光强会增加反 应速率，但光强过强，光催化效果下降，可能此时存在中间 氧化物在催化剂表面的竞争性复合。
❖ 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。
❖ 一般催化剂本身特性，催化剂表面状态（电荷、吸 附物质、缺陷、组成）、反应介质条件（pH值、溶 剂）、反应物种类浓度、反应物吸附及产物解析、 氧浓度、光源（波长、强度、距离）等对光催化反 应有决定性影响。
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❖ 催化剂的影响 ❖ a.催化剂禁带宽度决定光的利用率:λ(nm)=1240/Eg(eV)
30
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❖ 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。
光源及光强
32
❖ 光源及光强的影响 光催化实验的光源多为中压汞灯，还有高压汞灯、低压汞灯 和氙灯。如TiO2的禁带宽度为3.2eV，只有λ≤387.5nm的入 射光才能被激发；此外增加所需波长范围内的光强会增加反 应速率，但光强过强，光催化效果下降，可能此时存在中间 氧化物在催化剂表面的竞争性复合。
光催化与光电催化第三章
金属和TiO2 形成的空间电荷层中，金属表面将获得多
余的负电荷，TiO2表面上负电荷完全消失，从而大大提高
光生电子输运到吸附氧的速率。
•
金属-TiO2 界面上形成能俘获电子的浅势阱Schottky
能垒进一步抑制光生电子和空穴的复合。
贵金属沉积改性研究中Pt的改性效果最好，但成本较 高。Ag改性相对毒性较小，成本较低。
影响TiO2光催化反应的动力学因素
主要是载流子的产生和捕获效率，只有抑制电子和空 穴的复合，才能使光生载流子更有效地引发光催化反应。
在催化剂表面吸附的作为捕获剂的底物浓度或作为 载流子势阱的催化剂表面基团密度对催化剂的活性非常 重要。其他还有光照强度、催化剂用量、底物浓度等。
水中悬浮的金属氧化物TiO2，由于其表面离子的配位不饱和， 在水溶液中与水配位，水发生离解吸附而生成羟基化表面。 吸附在金属氧化物表面羟基和水分子通过俘获光致空穴，形 成表面键合的羟基自由基。 有机物的吸附也可以直接或间 接地俘获电子和空穴。
一、
在光催化反应中，
过渡金属离子
离子掺杂修饰TiO2
稀土金属离子 无机官能团离子以及其他离子
其中以金属离子掺杂为主
金属离子掺杂在光催化反应的作用特点与效果
吸
电
表
粒
光
荷
面
径
性
扩
反
半导体光催化基础第三章光催化原理-PPT课件
催化反应：A
K B
[ B ] a G RT ln RT ln K a [ A ] a
反应的驱动力只是热能，只限于热力学上可 进行的反应。 h B 光催化反应：A 光能（ h ）被直接用于实现化学反应的基 元作用。 克服反应势垒所需的能量： 1）反应粒子（分子、离子）的激发过程中提供；
光催化反应通常都是由若干个基元反应组合而 成，最为人们熟知的有自然界的光合作用： CO2 + H2O → (CH2O) + O2 绿色植物通过叶绿素吸收阳光，由CO2和H2O 光合成碳水化合物及其他化合物，同时向大气 中放出O2，这是一个相当复杂的光催化过程。 天线叶绿素（antenna chlorophyll）分子吸收 的光能，经不同的叶绿素分子之间传递最终到 达反应中心，并使反应物进行光化学合成反应， 这是由光和与之有关的多种酶反应组合而成的 光合成反应。
一个光催化体系所需组分的数目取决于 某些成分是否能兼有几种独立功能。 就催化而言，例如水的光解过程，就要 涉及多种不同类型的催化剂： 光催化剂—能经历光致ET并在某些情况 下参与反应循环； 电子传递催化剂—能促使电子从PS到反 中心（光化学ET转化为热ET）或在其他组 分之间转移； 反应催化剂—直接参与多相或均相反应， 并生成目的产物（如H2、O2等）。
2）采用作为反应体系一部分的整个物相（例如 半导体）的电子激发的形式提供。 例： CH4 + HCl。
第三章 光催化原理
R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki and Y. Taga. Science 293 (2001) 269 S. Sakthivel and Kish H. Angew. Chem., Int. Ed. 42 (2003) 4908
提高催化活性的途径—与其它半导体复合
Changes in RhB concentration and TOC and the formation of NH4+ and NO3during the course of photocatalytic degradation of RhB (2 × 10-4 M) in the presence of Bi2WO6 (0.5 g L-1) at pH 7.50.
*造成严重的水资源污染—环境修复的焦点
3.2.2 目前常用的处理方法
物理处理法——处理程度不高，通常用于预处理
化学处理法——药品用量大，成本高；可能造成二次
污染
生物处理法——成本低、耗时长，对可生化性差的有
机物效果不理想
Baidu Nhomakorabea
常用处理方法的比较
3.2.3 高级氧化技术—光催化氧化法
有机物
Rhodamine B（罗丹明B）
E (D./D.+) vs NHE -1.57V -1.33V
提高催化活性的途径—与其它半导体复合
Changes in RhB concentration and TOC and the formation of NH4+ and NO3during the course of photocatalytic degradation of RhB (2 × 10-4 M) in the presence of Bi2WO6 (0.5 g L-1) at pH 7.50.
*造成严重的水资源污染—环境修复的焦点
3.2.2 目前常用的处理方法
物理处理法——处理程度不高，通常用于预处理
化学处理法——药品用量大，成本高；可能造成二次
污染
生物处理法——成本低、耗时长，对可生化性差的有
机物效果不理想
Baidu Nhomakorabea
常用处理方法的比较
3.2.3 高级氧化技术—光催化氧化法
有机物
Rhodamine B（罗丹明B）
E (D./D.+) vs NHE -1.57V -1.33V
光催化原理(经典)PPT课件
*据ISI数据库检索，包括：ARTICLE, REVIEW, LETTER, NEWS ITEM,
EDITORIAL MATERIAL, CORRECTION 等。
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二、光催化基础高研性能究复进合展环－境净总化体材进料展及情其况应用的基础研究
● 中国光催化研究已进入国际前沿，2005年以来我国的光 催化研究论文数已经跃居世界第一。
近年来国内外针对光催化领域的重大科学与技术问 题，开展了系统深入研究，在提高光催化过程效率、 实现可见光光催化过程和解决工程化关键技术问题 等方面有所突破，光催化技术应用领域不断拓展。
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二、光催化基础高研性能究复进合展环－境总净体化材进料展及情其况应用的基础研究
● 国际光催化基础研究十分活跃，论文数量持续增加！
● 非金属掺杂型光催化剂
TiO2-xNx/ZrO2 ，I7+-I-/TiO2 ， ，
● 具有分级结构的TiO2中空纤维光催化剂 ● 具有类分子筛结构的TiO2光催化剂
非TiO2新型光催化剂
● 非金属聚合物可见光光催化剂
g-C3N4，mpg-C3N4，Fe/ g-C3N4
● 单一和多元金属氧化物纳米光催化剂
表面修饰 半导体复合 离子掺杂 固溶体形成 量子尺寸效应 水热合成 模板剂合成 微波溶剂热合成
……
能带调控 结构调控 组成调控
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2.8
3.0 CdS
H+/H2 (E=0 eV)
2.4
O2/H2O (E=1.23eV)
2.0
绝大部分只能吸
收不到5％的太
3.0
阳光(紫外部分)!
6
.
半导体光催化制氢原理
H2O H2 + 1/2O2 G0 = 238 kJ/mol (E = -Go/nF = -1.23 eV)
V/NHE -1.0
第三章 光催化及材料
.
光催化的发展
1972 年日本科学家Fujishima和Honda用TiO2薄膜为电极，利用光能 分解水而生成氢气的实验，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
1976 年，John. H. Carey报道了TiO2光催化氧化法用于污水中PCB 化 合物脱氯去毒。1977年，Yokota发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具 有光催化活性，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。
深度捕获 10 ns (不可逆）
ecb- + h + ecb- + TiIVOH·+ hvb+ + TiIIIOH
表面电荷转移：
hv or TiIVOH TiIVOH
ps 100ns—s
10ns
etr- + Ox TiIVOH·+ + Red
TiIVOH + Ox ·TiIVOH + Red ·+
很慢 ms 100ns
1985年，Mutsunaga等发现在金属卤灯发出的近紫外光照射下， TiO2 - Pt电极具用杀菌效果，这一发现开创了用光催化方法杀菌消毒的先河 。
目前，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研究 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
.
光催化的机理
A: 半导体吸收光，产生电子和空穴的过程 B: 电子和空穴表面复合过程 C: 电子和空穴体内复合过程 D: 还原过程 E: 氧化过程
M.Gratzel, et al, Nature, 1991, 353: 737; Nature,1998, 395: 583; S.U.M. Khan, et al, Science, 2002, 297: 2243.; Z.G.Zou, et al., Nature, 2001, 414, 625.
4
.
半导体的光催化活性主要取决于导带与价带的氧化-还原 电位，价带的氧化-还原电位越正，导带的氧化-还原电位 越负，则光生电子和空穴的氧化及还原能力就越强，从而 使光催化降解有机物的效率大大提高。
常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3、 CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处：将这类 材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太 阳光可进行有机物的降解。
➢ 氧化还原电对的电位位于H+/H2和O2/H2O之间，光激发所 需能量小，反应相对于直接分解水来说更容易
➢ 通过简单的筛网避免两种催化剂的混合，在分离的反应腔 中进行反映，可以解决光解水产物的分离。
➢ 在该模拟光合作用的Z-过程中，电子中继体可循环使用。 如I-/IO3-。
➢ 不需牺牲试剂，实现利用可见光分解水过程的连续进行
• 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 导带(CB)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。 • 空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的自由基基团（ HO . ） • 电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的自由基基团(.O2-, HO . 等) 3 • 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
.
➢ Sayama等采用RuO2-WO3为催化剂，➢ Gratzel等报道TiO2表面镀WO3薄
Fe3+/Fe2+为电子中继体，可见光辐 膜：WO3吸收蓝光产生空穴，
TiO2中光生电子、空穴的不同衰减过程的特征弛豫时间
主要过程
特征时间尺度
电子、空穴的产生:
TiO2 + hv
hvb+ + ecb-
fs
载流子被捕获过程：
hvb+ + TiIVOH
ecb- + TiIVOH ecb- + TiIV
电子、空穴的复合:
TiIVOH·+
TiIIIOH TiIII
10ns 轻度捕获 100ps—ms (动力学平衡)
• Z-型制氢体系
✓ 光合作用Z过程由两个不同的原初光反应组成 ✓ 模拟光合作用中光解水过程，采用不同的催化剂，借助两次光激励过程
分别实现光解水产氢和产氧 ✓ 以氧化还原中间体实现体系的电荷平衡，使光解水过程得以连续进行
10
.
光合作用原理示意图
Z-型制氢原理示意图
• Z-型制氢体系的特点
➢ 催化剂只需满足光解水反应的一端，可拓宽催化剂的选择 范围
Conduction band
e- e- e- e- e-
0.0
+1.0
Band gap
+2.0
+3.0
h+ h+ h+ h+ h+
Valence band
➢ Charge separation/recombination
➢ Separation of reduction and oxidation ➢ Cont.rol of reverse reaction
应用领域：废水处理、汽车尾气处理、降解空气中的有害 有机物、有机磷农药等
5
.
常见半导体材料的能带结构
Evs.SHE(pH= )/eV
0
SiC
ZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
0.0Leabharlann Baidu
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
反应电势(EH+/H2＋ηc)，使光电子的能量满足析氢反应要求。价带 位置应正于氧电极的反应电势(Vb +ηa)，使光生空穴能够有效地氧 化水。 • 高效吸收太阳光谱中大多数的光子。光子的能量还必须大于半导体 禁带宽度Eg：若Eg～3V，则入射光波长应小于400 nm，只占太阳 光谱很小一部分。
.
光催化产氢体系
H+ Water
reduction
H2
hv
H+/H2
O2/H2O
O2 Water
H2O oxidation
半导体光催化制氢条件
为实现太阳光直接驱动水的劈裂，要求光催化材料具有：
• 高稳定性、价廉； • 半导体的禁带宽度Eg要大于水的分解电压； • 能带位置要与氢和氧的反应电势相匹配：导带位置要负于氢电极的