光催化
光催化的基本类型
光催化的基本类型
光催化是指在光照条件下，利用光催化剂催化剂将光能转化为化学能，从而促进或加速光化学反应的一种化学反应。
它的应用范围广泛，包括环境治理、能源转换、有机合成等领域。
在光催化过程中，催化剂是关键的因素。
常见的光催化剂包括二氧化钛、卤化银、铁氧体等。
根据不同的催化剂、反应条件和反应机理，可以将光催化分为不同的类型，主要包括以下几种：
1. 光致电子转移型光催化：该类型的光催化反应中，光能被催化剂吸收，产生激发态的电子。
这些电子可以通过催化剂表面与底物进行电子转移，从而促进化学反应的进行。
2. 光致质子转移型光催化：在该类型的光催化反应中，光能被催化剂吸收，产生激发态的质子。
这些质子可以通过催化剂表面与底物进行质子转移，从而促进化学反应的进行。
3. 光致单电子转移型光催化：在该类型的光催化反应中，光能被催化剂吸收，产生激发态的电子。
这些电子可以通过催化剂表面与氧分子等进行单电子转移，生成活性氧物种，从而促进化学反应的进行。
4. 光致复合型光催化：在该类型的光催化反应中，光能被催化剂吸收，产生激发态的电子和空穴。
这些电子和空穴可以通过催化剂表面进行复合，从而生成活性物种，促进化学反应的进行。
以上是光催化的基本类型，不同类型的光催化反应机理和应用也有所不同。
未来随着科学技术的不断发展，光催化将在更广泛的领域
中发挥着重要的作用。
光催化原理
光催化原理光催化原理是基于三个关键步骤：光吸收、电荷分离和催化反应。
首先，催化剂表面的一对电子吸收光能，跃迁到更高的能级。
这个能级通常称为激发态能级。
随后，激发态电子与催化剂表面的另外一个电子形成电子-空穴对。
该电子-空穴对中的电子具有高能量，可以参与化学反应。
最后，这些高能态的电子和空穴将参与催化反应，将吸附在催化剂表面的反应物转化为产物。
光催化反应的速率取决于光催化剂表面的光吸收能力、电荷分离效率和催化反应速率。
光催化剂的表面结构和组成决定了其吸收特性和光催化活性。
对于光吸收，催化剂表面通常覆盖着一层吸收光能的物质，如半导体纳米颗粒或复合材料。
这些材料能够吸收不同波长的光能，形成电子-空穴对。
在光催化剂表面，电子能够从导带（CB）跃迁到价带（VB），形成光生电子和空穴。
这些电子和空穴的分离非常重要，因为只有分离的电子才能在催化反应中参与。
光催化剂通常利用表面的潜在能差将电子和空穴分开。
在光催化剂的表面上，一层聚集电子的电子亲和能较低，而另一层聚集空穴的能带较高。
因此，光生电子倾向于在电子亲和能较低的区域停留，而光生空穴倾向于在能带较高的区域停留。
这种潜在能差在光催化过程中创造了一个电子-空穴转移的“阶梯”，从而实现了电荷的分离。
当光生电子和空穴分离后，它们可以参与不同的反应。
光生电子可以通过直接还原或氧化反应来与吸附在催化剂表面的反应物发生反应。
光生空穴则可以促进一系列反应，包括与氧或水反应生成氧化物或还原剂，或者与吸附在催化剂表面的有机物发生直接氧化反应。
光催化原理的关键是选择合适的催化剂和光源，以优化光催化反应的效率。
常用的光催化剂有二氧化钛（TiO2）、锌氧化物（ZnO）和硫化铜（CuS）等。
这些催化剂具有广泛的光吸收能力和优异的光催化活性。
而作为光源，不同波长的光具有不同的能量，因此选择合适波长的光源也是提高光催化反应效率的关键因素。
总之，光催化原理（经典）通过光吸收、电荷分离和催化反应三个关键步骤实现催化剂表面的化学反应。
光催化原理
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什么材料可以作为光催化剂
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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)
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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
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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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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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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。
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光催化ppt课件
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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。
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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。
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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
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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。
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❖ 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
光催化技术知识讲解
光催化技术应用领域
光催化循环水处理系统
万利达车用空气净化器KJ-100
纳米光催化空气消毒反应器
纳米光催化空气消毒装置加载特 点：
1. 高度消毒
2. 高效清楚化学污染。
3. 独特中央空调加载方式。
4. 消毒材料无需更换。
5. 为使用单位节约巨额能源消 耗经费。
6. 进行空气消毒时，可以人机 同在。在消毒过程中，存在两个 事实：第一， 该消毒过程为物理 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 “自静”形式消毒；第二， 该过 程中，纳米TiO2没有任何消耗， 所以，不需要对消毒材料进行更 换。
其中，光催化分解反应机理如下：
光催化的技术特征
（1）低温深度反应： 光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物 完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则 需要在极高的温度下才可将污染物中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的 物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活性炭吸附 法不分解污染物，只是将污染源转移。 （3）绿色能源： 光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧 化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。 从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。
光触媒
光触媒[PHOTOCATALYSIS] 是 光 [Photo=Light] + 触媒(催化剂)[catalyst] 的合成词。光触媒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，光触媒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，使周围之氧气及水分子 激发成极具氧化力的 OH - 及 O 2 - 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，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。
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 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。
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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
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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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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。
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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。
光催化氧化技术
◎光催化一般是多种相态之间的催化反应。
光催化氧化
◎ 均相光催化氧化 ◎ 非均相光催化氧化
均相光催化氧化——UV/Fenton试 剂法
一、Fenton试剂
◎ Fenton 试剂：Fe2+和H2O2的组合。 ◎已有100多年的应用历史，在精细化工、药学化工、 医药卫生、环境污染治理等方面都有应用。 ◎ 1964年，Eisenhouser首次使用Fenton试剂处理苯 酚及烷基苯废水。 ◎ Fenton试剂在废水处理中主要用于去除COD、色 度和泡沫等。
影响UV/Fenton反应的因素
1. 有机物浓度：污染物的去除率均随其起始浓度的 增加而降低。
2. Fe2+浓度：Fe2+浓度过多，不利于·OH的生成而 使得反应速率降低； Fe2+过低不利于H2O2分解 为·OH。维持适当的Fe2+浓度。
3. H2O2浓度：在维持其他反应条件不变的前提下， 增大H2O2投加浓度或投加量可以提高反应速率。
Aend
均相光催化氧化——UV/Fenton试剂法
UV/Fenton的优点
◎ 降低Fe2+的用量，保持H2O2较高的利用率。 ◎ UV和Fe2+对H2O2的催化分解存在协同效应， 即：·OH的生成速率远大于传统Fenton法和紫外催 化H2O2分解速率的简单加和。
均相光催化氧化——UV/Fenton试剂法
光催化氧化技术
（Technology of Photocatalysis Oxidation)
什么是光催化?
◎概括说来，就是光催化剂在光的作用下发生催化作用。
◎光催化剂：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。利用光能转换成为化学反应所 需的能量，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基或负离子。
(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。
光催化的原理
光催化的原理光催化是一种利用光能激发催化剂产生化学反应的技术，它在环境保护、能源开发和化学合成等领域具有广泛的应用前景。
光催化的原理是通过光能激发催化剂表面的电子，使其在催化剂表面上发生化学反应，从而实现一系列有益的化学转化过程。
本文将从光催化的基本原理、光催化剂的种类和应用等方面进行介绍。
光催化的基本原理是利用光能激发催化剂表面的电子，使其具有较高的化学活性。
在光照条件下，光子能量被吸收后，催化剂表面的电子被激发至较高能级，形成光生电子-空穴对。
这些光生电子和空穴在催化剂表面上参与化学反应，从而实现光催化过程。
光生电子可以参与还原反应，而光生空穴则可以参与氧化反应，这样就可以实现一系列有益的化学转化过程。
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吸收性能和化学稳定性，能够有效地吸收光能并参与光催化反应。
此外，通过控制光催化剂的晶体结构和表面形貌，可以调控其光催化性能，提高光催化反应的效率和选择性。
光催化技术在环境保护、能源开发和化学合成等领域具有广泛的应用。
在环境保护方面，光催化可以通过光解水制氢、光催化降解有机污染物等方式实现环境净化和能源生产。
在能源开发方面，光催化可以利用太阳能进行光解水制氢、光催化CO2还原等反应，实现清洁能源的生产和利用。
在化学合成方面，光催化可以实现一系列有机合成反应，提高化学品的生产效率和产品质量。
总的来说，光催化技术是一种具有广泛应用前景的新型化学技术，它利用光能激发催化剂表面的电子，实现一系列有益的化学转化过程。
随着对光催化原理的深入研究和光催化剂性能的不断优化，光催化技术将在环境保护、能源开发和化学合成等领域发挥越来越重要的作用。
光催化发展过程
光催化发展过程光催化是一种通过光能激发催化剂来驱动化学反应的技术。
它在环境保护、能源转化和有机合成等领域具有广阔的应用前景。
本文将从光催化的起源和发展、光催化原理、光催化材料以及光催化应用等方面进行阐述，以展示光催化的发展过程。
一、光催化的起源和发展光催化的发展可以追溯到19世纪末的斯特兰斯基实验。
他发现，通过紫外线照射二氧化钛可以催化氧化水里的有机物质，这被认为是光催化的起源。
20世纪60年代，日本学者福田成彦在研究光催化水分解制氢的过程中，发现了光催化产生氢气的效果，并将其称为“光催化水解制氢”。
二、光催化原理光催化的原理是通过光照射激发催化剂表面的电子，使其跃迁到导带上，形成电子空穴对。
电子和空穴具有高能态，可以参与化学反应。
光催化反应的基本过程包括光吸收、电子和空穴的分离、电子和空穴的传输和催化反应。
三、光催化材料光催化材料是实现光催化反应的关键。
常见的光催化材料包括二氧化钛、铁酸铋、氧化锌等。
其中，二氧化钛是最常用的光催化材料之一，具有良好的光催化活性和稳定性。
近年来，石墨烯、金属有机框架等新型材料也被广泛应用于光催化领域。
四、光催化应用光催化技术在环境保护、能源转化和有机合成等领域具有广泛应用。
在环境保护方面，光催化可以降解有机污染物、净化水体和空气。
在能源转化方面，光催化可以实现光电转化、光解水制氢等能源转换过程。
在有机合成方面，光催化可以实现高效和选择性的有机合成反应。
光催化技术的发展离不开科学家们的不懈努力和创新。
他们通过优化催化剂的结构和性能，探索新型光催化材料，改进光催化反应体系，提高光催化效率和稳定性。
同时，光催化技术也面临着一些挑战，如光催化材料的制备成本、光催化反应机理的解析等。
未来，科学家们将继续突破技术瓶颈，推动光催化技术的发展。
总结起来，光催化是一项具有重要意义和广泛应用前景的技术。
随着科学家们的不断努力和创新，光催化的研究和应用将会取得更大的突破。
相信在不久的将来，光催化技术将为解决环境污染、能源危机等重大问题提供有效的解决方案。
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影响因素
光催化剂
纳米TiO2
pH的影响 当pH小于7时，随pH降低TiO2表面的OH-减少。羟基自 由基数量的减少，使反应速率下降。并且指出，pH=7 左右降解速率有极大值。在光降解过程中，溶液的pH 是氯化芳香烃在TiO2表面吸附的重要参数。
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影响因素
光催化剂
纳米TiO2
光强度的影响 光照强度和催化效果有直接关系。因为单位体积内有 效光子数是影响反应速率的直接因素。光照强度越高 时，单位体积内所接受的入射光子数越多，在催化剂 表面产生的活性物种越多，反应自然就快。但光强度 也不是无限制的越高越好。当光子的利用率达到最大 时，过多的光子无法得到利用。从经济角度出发，能 源的过渡浪费也是不可取的。另外，TiO2的加入量、 光波长、氧浓度的变化等都对光催化降解反应有影响。
有Pt, Ir, Pd, Ag,Au及Ru等,其中又以Pt的改性效果最好
5
改性
光催化剂
纳米TiO2
金属离子的掺杂 纳米TiO2的表面贵金属沉积 在TiO2晶格中引入金属离子,可以减小禁带宽度,使价带中电子在接受 在TiO2光催化剂的表面沉积适量的贵金属可以改变半导体体系中电子 了波长较长的光激发后,先跃迁到杂质能级,再由杂质能级跃迁至导带, 的分布和传输,从而达到改变光催化活性的目的.贵金属与半导体接触 从而降低了受激发所需要的能量,进而达到TiO2光催化剂的光谱响应 时,由于贵金属和半导体的费米能级的差异,载流电子将会被重新分布; 范围的红移，即可使其对可见光发生响应 同时可以形成贵金属簇,使得光生电子不断从TiO2价带上转移到贵金 非金属元素的掺杂 属表面,产生肖特基势垒去阻止电子-空穴对的复合.较为常用的贵金属 目前对非金属掺杂的研究较少,且主要集中在氧附近的元素,如N,C,B等 有Pt, Ir, Pd, Ag,Au及Ru等,其中又以Pt的改性效果最好 .一般认为,非金属元素的掺杂是在TiO2中引入晶格氧空位,或者非金属
1
简介
光催化剂
纳米TiO2
a金红石型 b锐钛矿型
1
简介
光催化剂
纳米TiO2
物性参数
性状 密度（g/ml） 相对蒸汽密度(g/ml,空气=1) 熔点（℃） 白色无定形粉末（高温下变成 棕色），无臭无味 3.84 4.26 1857
沸点（℃）
折射率
2900
2.52
1
简介
光催化剂
纳米TiO2
2
制备
光催化剂
负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多
数有机物氧化成CO2和H2O,甚至对一些无机物也能 彻底分解
3
机理
光催化剂
纳米TiO2
二氧化钛是n型半导体材料，在价带和导带之间存在 一个禁带。当受到的光能大于其禁带宽度时，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+)。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
这方面的研究工作对国民经济的可持续发展，保护生 态环境都具有重要意义
引言&简介
光催化是把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 环境和能源是21世纪人类面临和亟（ji）待解决的重 发成极具氧化力的自由负离子的一种新型催化反应。 大问题，光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳 几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分 能作为光源来驱动反应等独特性能而成为一种理想的 无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定律， 环境污染治理技术和洁净能源生产技术。重视和加强 不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子 这方面的研究工作对国民经济的可持续发展，保护生 为植物的"光合作用"，吸收二氧化碳，利用光能转化 态环境都具有重要意义 为氧气及有机物。
·废水处理：研究表明，纳米TiO2光催化剂可将污水中烃 类，农药，染料，表面活性剂快速矿化成水和二氧化碳等 无毒小分子，达到去毒，脱色的目的
5
应用
光催化剂
纳米TiO2
· 空气净化：纳米TiO2在受光照射后可以将空气中有害物 质分解为水和二氧化碳以达到空气净化的目的 ·抗菌除臭：TiO2光催化剂受光照激发后产生活性超氧自 由基·O2-和羟基自由基·OH，它们能进入细菌内部，破坏 细胞膜质，杀灭细菌 ·氢气制备：光照条件下，纳米TiO2晶体催化分解水产生 氢气和氧气，是一种非常有前景的制氢方法
5
应用
光催化剂
TiO2薄膜
简介
Hale Waihona Puke 制备二氧化钛薄膜是一种功能性薄膜，在可 见光范围内有高透光度和高折射系数， 并且由于其优良的光催化特征及其优的 化学稳定性和耐久性，使其在污水的光 催化处理，空气净化，抗反射涂层及气 体传感器等许多领域呈现出很大的应用 潜能，成为近年来研究的热点。
发展历史
发展历史
1972 年，日本科学家 Fujishima和 Honda在n—型半 导体TiO2电极上发现了光催化 裂解水反应，在Nature 上发表 了相关论文，揭开了多相光催 化新时代的序幕。 进入了90 年代，随着纳米技术 的兴起和光催化技术在环境保 护、卫生保健、有机合成等方 面应用研究的发展迅速，纳米 量级的研究，已经成为国际上 光催化最活跃的研究领域之一。
元素直接取代部分氧空位,从而形成TiO2-xAx晶体,可以使TiO2对可见
光有感应
5
改性
光催化剂
纳米TiO2
·太阳能电池：新型光致电池是基于吸附染料光敏化剂的纳 米TiO2薄膜，具有原料低廉和制作简单的特点，有望取代 传统的硅基光致太阳能电池 ·防雾自清洁：金红石纳米TiO2在紫外线的照射下，其表 面在宏观上会表现出超亲水特性，油垢不易附着，而附着 在表面上的雨水或雾气不会形成水滴而迅速形成水膜进而 脱落
光催化剂
光催化剂
纳米TiO2
纳米级二氧化钛，亦称钛白粉，直径在100纳米以下，产 品外观为白色疏松粉末。具有抗线、抗菌、自洁净、抗老 化性能，可用于化妆品、功能纤维、塑料、油墨、涂料、 油漆、精细陶瓷等领域。 有催化效应的两种结晶形态：锐钛型和金红石型。金红石 型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密，有较高的硬度、 密度、介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。而 锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二 氧化钛高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红 石型低，光催化活性比金红石型高。在一定条件下，锐钛 型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。
自1983 年起，A.L. Pruden和 D.Follio就烷烃、烯烃和芳香烃 的氯化物等一系列污染物的光 催化氧化作了连续研究，发现 反应物都能迅速降解。
1985 年，Mutsunaga等发现 在金属卤灯发出的近紫外光照 下，二氧化钛-铂电极具有杀菌 效果，这一发现开创光催化杀 菌消毒的先河
光催化剂
5
应用
光催化剂
纳米TiO2
· 化妆品：一定粒度的锐钛矿型具有优良的紫外线屏蔽性能， 且无毒无味，质地细腻，可用于防晒型化妆品 ·材料改性：纳米TiO2掺入塑料中可有效提高透明度，强 度，韧度以及防水性能；掺入有机玻璃中可减缓由紫外线 引起的的材料老化 ·氢气制备使某些癌细胞失活：对纳米TiO2修饰，注入肿 瘤内，通过光导纤维传递紫外光照射相应部位，光激发 TiO2产生超活性OH，渗入组织，杀死癌细胞
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机理
光催化剂
纳米TiO2
二氧化钛是n型半导体材料，在价带和导带之间存在 一个禁带。当受到的光能大于其禁带宽度时，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+)。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
元素直接取代部分氧空位,从而形成TiO2-xAx晶体,可以使TiO2对可见
光有感应
5
改性
光催化剂
金属离子的掺杂 表面光敏化
纳米TiO2
在 所谓表面光敏化 TiO2晶格中引入金属离子 ,就是通过化学吸附或物理吸附将光活性化合物吸附 ,可以减小禁带宽度,使价带中电子在接受 了波长较长的光激发后 于催化剂表面 ,使催化剂吸收波范围发生红移 ,先跃迁到杂质能级,再由杂质能级跃迁至导带 ,半导体表面发生的这一, 从而降低了受激发所需要的能量. 过程称为催化剂表面光敏化作用 ,人们对 进而达到 TiO2 TiO2 表面光敏化的研究开展 光催化剂的光谱响应 范围的红移 较早 ,目前已被报道的敏化剂较多 . ,但其中主要有:钌吡啶类络合物、赤 非金属元素的掺杂 藓红 B、荧光素衍生物、劳氏紫、曙红、玫瑰红、叶酸绿、紫菜碱及 目前对非金属掺杂的研究较少 蒽 -9-羧酸等,其中钌吡啶类络合物等金属基光敏化剂的光敏化效率较 ,且主要集中在氧附近的元素,如N,C,B等 .一般认为,非金属元素的掺杂是在 高且稳定性也较好 . TiO2中引入晶格氧空位,或者非金属
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影响因素
光催化剂
纳米TiO2
焙烧温度 通常情况下，焙烧温度的提高会导致催化活性的降低， 因为焙烧温度会对TiO2的表面产生影响。随着焙烧温 度的提高，比表面积减少，表面吸附量有明显的减少 趋势，并且焙烧温度升高到一定程度时会引起锐钛矿 型TiO2向金红石型TiO2转变，这是导致其光催化性能下 降的主要原因。
纳米TiO2
物理沉积 物理气相沉积法（PVD）是利用电弧、高频或等离子体等高稳热源将 原料加热，使之气化或形成等离子体，然后骤冷使之凝聚成纳米粒子。 其中以真空蒸发法最为常用。粒子的粒径大小及分布可以通过改变气 体压力和加热温度进行控制。该法同时可采用于单一氧化物、复合氧 化物、碳化物以及金属粉的制备。 化学沉积 化学气相沉积法（CVD）利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应 生成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈 球形，单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。该过 程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要解决粉体 的收集和存放问题。