光催化材料的研究概况ppt课件
合集下载
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。
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。
光催化课件
（2）表面羟基： 催化剂表面羟基与空穴反应生成表面过氧化物，起复合中心的
作用，因此表面羟基越少，催化剂活性越高。若对催化剂进行热处 理，可使表面羟基总量减少。 （3）混晶效应：
锐钛矿与金红石的混晶（非机械混合）具有较高的催化活性。 原因在于：锐钛矿晶体表面生长了薄的金红石结晶层，由于晶体结 构的不同，能有效促进锐钛矿晶体中的光生电子和空穴电荷分离。
1977年，Yokota T 等发现在光照条件下, TiO2对丙烯环氧化具 有光催化活性，从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧 化反应提供了一条新的思路。
近十年来，光催化技术在环保、能源、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。
目前广泛研究的半导体光催化剂，大多数属于宽禁带型半导体化合 物，如CdS、SnO2、TiO2、ZnO、ZnS、PbS、MoO3、SrTiO3、V2O5、 WO3和MoSi2等。其中TiO2、 ZnO、 CdS的催化活性最高，但ZnO、 CdS在光照时不稳定，因为光阳极腐蚀而产生Cd2＋和Zn2＋，这些离子对 对生物有毒性，对环境有害。
3.1 氧化钛的能带结构
半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带（Valence band，VB）和空的高能导带（Conduction band，CB）构成，价带和 导带之间存在禁带。电子填充时，优先从能量低的价带填起。氧化钛 是宽禁带半导体。金红石相禁带宽度3.0eV，锐钛矿相3.2eV。
4、催化剂的寿命。
评价催化剂的3个重要指标： 活性、选择性和稳定性。
TiO2表面性质和结构对反应有重要影响。催化剂表面存 在的晶格缺陷对光催化反应是必要的。
TiO2表面有3种氧缺陷：晶格空位、单桥空位和双桥空位。 TiO2表面能吸附多种无机分子：如CO、SO2、NO、NH3 等。有机分子：如甲烷、甲醇、苯酚、氯代烃等。 表面缺陷越多的TiO2表面越容易吸附气体分子。而结构近 乎完美的TiO2表面，不能吸附SO2、NH3分子。 制成纳米颗粒或薄膜的TiO2，尺寸减少的优势在于对紫外 光的吸收边蓝移，禁带宽度增加，产生更大的氧化还原电位 而向底物的电荷转移和溶剂重组自由能保持不变，这会增加 电荷的转移速率常数，提高量子产率和光催化反应效率。
光催化ppt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，则为施主。多余的
----抗菌性： 杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌、绿脓 杆菌、病等。 ----空气净化： 分解空气中有机化合物及有毒物质：苯、甲醛、氨、 TVOC等。 ----除臭 ：去除香烟臭、垃圾臭、生活臭等恶臭。 ----防霉防藻： 防止发霉、防止藻类的产生, 防止水垢的附着。 ----防污自洁：分解油污,自清洁。
❖ 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。
❖ 低压汞灯操作温度为常温，因此不需要冷却，灯的电能大部分转化为光能，
常用。
36
❖ 溶液pH值影响 其对半导体粒子在反应液中的颗粒物聚集度、表面电荷和有机物在半导体 表面的吸附等有较大影响。
37
❖ 反应温度 在实际反应中，光催化反应对温度的变化不敏感，因为光催化反应的表观 活化能很低，故反应速率对温度的依赖性不大。
22
24
（2)半导体在溶液中的氧化还原反应过程
h++H2O e -+O2 2HO2 • H2O2 + •O2-
❖ 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，则为施主。多余的
----抗菌性： 杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌、绿脓 杆菌、病等。 ----空气净化： 分解空气中有机化合物及有毒物质：苯、甲醛、氨、 TVOC等。 ----除臭 ：去除香烟臭、垃圾臭、生活臭等恶臭。 ----防霉防藻： 防止发霉、防止藻类的产生, 防止水垢的附着。 ----防污自洁：分解油污,自清洁。
❖ 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。
❖ 低压汞灯操作温度为常温，因此不需要冷却，灯的电能大部分转化为光能，
常用。
36
❖ 溶液pH值影响 其对半导体粒子在反应液中的颗粒物聚集度、表面电荷和有机物在半导体 表面的吸附等有较大影响。
37
❖ 反应温度 在实际反应中，光催化反应对温度的变化不敏感，因为光催化反应的表观 活化能很低，故反应速率对温度的依赖性不大。
22
24
（2)半导体在溶液中的氧化还原反应过程
h++H2O e -+O2 2HO2 • H2O2 + •O2-
光催化材料简介PPT课件
对于环境问题，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，有毒废水处理，水的净化等。
8·
可编辑
什么是光催化
光催化剂（一般为半导体材料）在光(可见光或者紫外光)的照 射下，通过把光能转化为化学能，从而具有氧化还原能力， 使化合物（有机物、无机物）被降解的过程称为光催化。
可编辑
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)!
1
4
Company Logo
常见的光催化材料
photocatalyst Ebg（eV）
ZnO在水中不稳定，会在 粒子表面生成Zn(OH)2
photocatalyst Ebg（eV）
Si
1.1
TiO2（Rutile)
NaO
Br O
Br O NaO
解决方法：
贵金属沉积 复合半导体 离子掺杂修饰 有机染料光敏化
26
可编辑
贵金属沉积
沉积Ag后的TiO2光催化性能
金属离子可捕获导带中的 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。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。
27
Company Logo
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
18
Company Logo
TiO2光催化剂的优点
1.水中所含多种有机污染物可被完全降解成CO2，H2O等， 无机污染物被氧化或还原为无害物
2.不需要另外的电子受体
3.具有廉价无毒，稳定及可重复利用等优点
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、结论与展望光催化及材料作为一种高效、环保的技术手段，在解决能源和环境问题方面具有巨大的潜力。
未来，随着材料科学和光催化技术的不断发展，光催化材料将在更多领域得到应用，并为人类社会的可持续发展做出贡献。
第三章 光催化及材料ppt课件
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
• 制约光催化制氢实用化的主要原因是：
1) 光化学稳定的半导体(如：TiO2)的能隙太宽(以2.0 eV为宜)只吸收紫外光；
2) 光量子产率低(约4 %)，最高不超过10 %； 3) 具有与太阳光谱较为匹配能隙的半导体材料(如：CdS等)存在光腐蚀及有
毒等问题，而p-型InP、GaInP2等虽具有理想的能隙，且一定程度上能抗 光腐蚀，但其能级与水的氧化还原能级不匹配。
沉积Ag后的TiO2光催化性能
光生电子在Ag岛上 富集，光生空穴向TiO2 晶粒表面迁移，这样行 成的微电池促进了光生 电子和空穴的分离，提 高了光催化效率。
.
• 掺杂金属或非金属离子。在半导体价带与导带间形成一个缺陷能量状 态，为光生电子提供了一个跳板，可以利用能量较低的可见光激发电子 ，由价带分两步传输到导带，从而减少光生电子－空穴复合。
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
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
• 制约光催化制氢实用化的主要原因是：
1) 光化学稳定的半导体(如：TiO2)的能隙太宽(以2.0 eV为宜)只吸收紫外光；
2) 光量子产率低(约4 %)，最高不超过10 %； 3) 具有与太阳光谱较为匹配能隙的半导体材料(如：CdS等)存在光腐蚀及有
毒等问题，而p-型InP、GaInP2等虽具有理想的能隙，且一定程度上能抗 光腐蚀，但其能级与水的氧化还原能级不匹配。
沉积Ag后的TiO2光催化性能
光生电子在Ag岛上 富集，光生空穴向TiO2 晶粒表面迁移，这样行 成的微电池促进了光生 电子和空穴的分离，提 高了光催化效率。
.
• 掺杂金属或非金属离子。在半导体价带与导带间形成一个缺陷能量状 态，为光生电子提供了一个跳板，可以利用能量较低的可见光激发电子 ，由价带分两步传输到导带，从而减少光生电子－空穴复合。
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
光催化ppt课件
----抗菌性： 杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷 伯氏菌、绿脓杆菌、病毒等。 ----空气净化： 分解空气中有机化合物及有毒物质：苯、 甲醛、氨、TVOC等。 ----除臭 ：去除香烟臭、垃圾臭、生活臭等恶臭。 ----防霉防藻： 防止发霉、防止藻类的产生, 防止水垢的附 着。 ----防污自洁：分解油污,自清洁。
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
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。
❖ 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。
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
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。
❖ 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。
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
• 光催化材料的发展也将更加注重环保和可持续发展。在材料的制备和应用过程 中，将更加注重资源的节约和环境的保护，同时推动光催化技术的绿色化和产 业化发展。
光催化材料面临的挑战与机遇
光催化材料在实际应用中仍面临一些挑战，如光催化反应的效率、反应动力学和稳定性等问题。此外，光催化材料的回收和 再利用也是需要解决的重要问题。
光催化材料等。
04
光催化材料的应用实例
光催化水处理
01
去除有害物质
光催化材料能够利用光能将水中的有害物质，如重金属离子、有机污染
物等，进行氧化或还原反应，将其转化为无害或低毒性的物质，从而达
到净化水质的目的。
02
杀菌消毒
光催化材料在光照条件下能够产生具有强氧化性的自由基，这些自由基
能够破坏细菌和病毒的细胞膜结构，从而杀死细菌和病毒，起到杀菌消
光谱响应范围
描述光催化材料能够吸收的光的 波长范围。一些材料主要吸收紫 外光，而另一些则能吸收可见光 或红外光。
光吸收效率
衡量材料在特定波长下吸收光的 程度。高吸收效率意味着材料能 更有效地利用光能。
化学性质
稳定性
指光催化材料在化学环境中保持其结 构和性能的能力。
氧化还原能力
指材料在光催化反应中的氧化或还原 能力，影响其光催化活性。
• 除了传统的金属氧化物、硫化物、氮化物等材料外，新型复合光催化材料、异 质结构光催化材料等也将成为研究热点。这些新型材料通过结构设计、元素掺 杂、表面改性等方式，能够进一步提高光催化性能和拓宽应用范围。
THANKS
感谢观看
• 光催化材料的发展也将更加注重环保和可持续发展。在材料的制备和应用过程 中，将更加注重资源的节约和环境的保护，同时推动光催化技术的绿色化和产 业化发展。
光催化材料面临的挑战与机遇
光催化材料在实际应用中仍面临一些挑战，如光催化反应的效率、反应动力学和稳定性等问题。此外，光催化材料的回收和 再利用也是需要解决的重要问题。
光催化材料等。
04
光催化材料的应用实例
光催化水处理
01
去除有害物质
光催化材料能够利用光能将水中的有害物质，如重金属离子、有机污染
物等，进行氧化或还原反应，将其转化为无害或低毒性的物质，从而达
到净化水质的目的。
02
杀菌消毒
光催化材料在光照条件下能够产生具有强氧化性的自由基，这些自由基
能够破坏细菌和病毒的细胞膜结构，从而杀死细菌和病毒，起到杀菌消
光谱响应范围
描述光催化材料能够吸收的光的 波长范围。一些材料主要吸收紫 外光，而另一些则能吸收可见光 或红外光。
光吸收效率
衡量材料在特定波长下吸收光的 程度。高吸收效率意味着材料能 更有效地利用光能。
化学性质
稳定性
指光催化材料在化学环境中保持其结 构和性能的能力。
氧化还原能力
指材料在光催化反应中的氧化或还原 能力，影响其光催化活性。
• 除了传统的金属氧化物、硫化物、氮化物等材料外，新型复合光催化材料、异 质结构光催化材料等也将成为研究热点。这些新型材料通过结构设计、元素掺 杂、表面改性等方式，能够进一步提高光催化性能和拓宽应用范围。
光催化材料的研究概况
关键因素
光催化材料本身的光生载流子激 发、分离、输运行为
制约光催化反应发生的多 相界面作用行为
整理PPT课件
8
高效新型光催化材料？
原因：现有的许多光催化材料的光响应范围窄，量子 转换效率低（催化剂活性），太阳能利用率低。
具 备 条 件
附：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的4%，如何利用可见
异质结
复合半导体
固溶体
异质结利用内建电场使得载 流子传输具有定向性，
因而有效地分离电子一空穴， 降低复合。利用窄带隙半
导体与宽带隙半导体形成异 质结可以有效地拓宽光响应 范围
利用两种半导体形成固溶体， 其性质随各个组元在固溶体 中所占百分比而变化，可以 实现对半导体带隙的连续可 调，因而固溶体半导体光催 化材料近年来得到了广泛发 展
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 CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。
整理PPT课件
7
影响光催化反应的关键因素
发现：无论是光催化分解水还是 光催化环境净化，二者均需要半 导体具有合适的导价带位置以保 证光激发的电子一空穴具有匹配 的还原一氧化能力发生光催化反 应
光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决 条件。常规 TiO2 只能在紫外光响应，虽然通过搀杂改性，其吸收边得以红 移，但效果还不够理想。 因此，开发可见光响应的高效光催化材料是该领 域的研究热点。
整理PPT课件
9
光催化材料的开发现状与研究方法
目前国内外光催材料的研究多数停留在二氧化钛及相关修饰,尽管这些工作卓有成效， 但是在规模化利用太阳能方面还远远不够。光催化研究的关键问题之一是发展能够 在太阳光下高效工作的稳定、低成本半导体光催化材料。 为了与传统的TiO2 ，SrTiO3等仅具有紫外光响应的光催化材料相区别，人们称具 有可见光响应的光催化材料为新型光催化材料。
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。
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。
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
光催化材料的研究概况
光催化材料的研究概况光催化材料的研究主要集中在两个方面，一是材料的合成与设计，二是催化机制的探索与优化。
目前研究人员主要通过两种方法来制备光催化材料：一是传统的化学合成方法，通过控制反应条件、添加表面裂纹等手段来改变材料的结构和性质；二是纳米材料的制备方法，通过溶胶凝胶法、热分解法、热上复分解法等来合成具有特殊结构和性质的纳米材料。
当然，还有其他一些创新的合成方法，例如原位合成法、模板法等。
光催化材料的设计主要考虑两个方面的因素，一是光催化剂的能带结构，二是光催化剂的物理化学性质。
光催化剂的能带结构直接决定了其在可见光区域是否能够吸收光能，因此研究人员在设计中通常会选择能带宽度合适的材料。
另外，光催化剂的物理化学性质包括表面光吸收性能、电子传输性质、反应中心数目等，这些因素对催化剂的催化性能有着重要影响。
光催化材料的催化机制探索与优化是一个复杂而又关键的问题。
在光催化反应中，光催化剂通过吸光激发的电子在其表面上进行传输和催化反应，因此研究人员需要深入了解光催化剂表面的反应中心和光催化反应机理。
常见的研究方法包括表面等离子体共振光谱、稳态和暗态光谱、电化学技术等。
通过这些研究方法，可以揭示光催化材料的电子传输机制、光生电子和空穴的分布情况等，从而为催化机理的优化提供理论依据。
近年来，光催化材料研究的热点主要集中在两个方向。
一是调控材料结构和界面性质，通过改变光催化材料的结构和界面来提高催化性能。
例如，利用纳米材料的特殊结构和光吸收性能，可以提高光催化剂的光吸收效率和反应活性。
二是探索新型光催化材料，以应对不同领域的需求。
例如，近年来针对水分解制氢、CO2还原等领域的研究逐渐增多，研究人员利用光催化技术开发了一系列能够高效转化太阳能的光催化材料。
总的来说，光催化材料的研究已经取得了令人瞩目的进展，通过对其合成与设计、催化机制的探索与优化，为解决环境与能源问题提供了新的思路和途径。
随着材料科学和光催化技术的不断发展，相信光催化材料将会在未来的科学研究和工业应用中发挥更加重要的作用。
光电催化 PPT
溶液的PH对光催化反应有较大影响，主要是因为 溶液的pH不同，改变了半导体光透电极与电解质 溶液界面的电荷性质，进而影响了半导体光透电
极对有机物的吸附。
外加偏电压的影响
外加电压达到一定值时，光生载流子已达到充分分 离，形成饱和光电流。 因此，在光电流接近饱和状态时，继续增大电压对 光催化反应速率提高幅度不大; 相反，随着电压的升高，光电流效率反而下降。
紫外线照射
电Байду номын сангаас 能量
导 e- e- e带 e- e- e-
e- e- ee- e- e-
禁 带
h+ h+ h+ h+
价 带
h+ h+ h+
吸附 还（原O2）
（·O2-）
氧化(污染物)
氧化为 (·OH) 吸附 （吸H附2(O污）染物)
羟基自由基(·0H)，超氧离子自由基(·02-)及·0H2自由 基具有很强的氧化能力，很容易将各种污染物物直接 氧化为CO2，H2O等无机小分子。
以环己烷为目标污染物，采用活性碳/石墨和泡沫镍作 TiO2的载体，形成微孔电极，用高聚物固体电解质 Nafion分隔阴、阳两极，组成新型气相光电催化氧 化反应系统。利用外加电压的作用，有效地解决了 TiO2半导体光生电荷简单复合的问题。
与光催化相比的优势
➢ TiO2光电组合效应把导带电子的还原过程同价带空 穴的氧化过程从空间位置上分开(与半导体微粒相比 较)
➢ 明显地减少了电子和空穴的复合，结果大大增加了 半导体表面·OH的生成效率
➢ 防止了氧化中间产物在阴极上的再还原 ➢ 导带电子能被引到阴极还原水中的H+，因此不需要
向系统内鼓入作为电子俘获剂的O2
极对有机物的吸附。
外加偏电压的影响
外加电压达到一定值时，光生载流子已达到充分分 离，形成饱和光电流。 因此，在光电流接近饱和状态时，继续增大电压对 光催化反应速率提高幅度不大; 相反，随着电压的升高，光电流效率反而下降。
紫外线照射
电Байду номын сангаас 能量
导 e- e- e带 e- e- e-
e- e- ee- e- e-
禁 带
h+ h+ h+ h+
价 带
h+ h+ h+
吸附 还（原O2）
（·O2-）
氧化(污染物)
氧化为 (·OH) 吸附 （吸H附2(O污）染物)
羟基自由基(·0H)，超氧离子自由基(·02-)及·0H2自由 基具有很强的氧化能力，很容易将各种污染物物直接 氧化为CO2，H2O等无机小分子。
以环己烷为目标污染物，采用活性碳/石墨和泡沫镍作 TiO2的载体，形成微孔电极，用高聚物固体电解质 Nafion分隔阴、阳两极，组成新型气相光电催化氧 化反应系统。利用外加电压的作用，有效地解决了 TiO2半导体光生电荷简单复合的问题。
与光催化相比的优势
➢ TiO2光电组合效应把导带电子的还原过程同价带空 穴的氧化过程从空间位置上分开(与半导体微粒相比 较)
➢ 明显地减少了电子和空穴的复合，结果大大增加了 半导体表面·OH的生成效率
➢ 防止了氧化中间产物在阴极上的再还原 ➢ 导带电子能被引到阴极还原水中的H+，因此不需要
向系统内鼓入作为电子俘获剂的O2
光催化剂的研究与展望ppt
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
解决方法：
②只能吸收紫外光
金属离子掺杂修饰 非金属离子掺杂 半导体复合 染料光敏化
离子掺杂
过渡金属离子
V、Ni、Rh、Cd、Cu、Fe、Co 等
TiO2的结构与性质
P25是70:30％锐钛矿-金红石混合物
TiO6
Ti O
金红石型
锐钛矿型
具有锐钛矿，金红石及板钛矿三种晶体结构，只 有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性
TiO2催化基理及当前研究现状
导 导 导 带 禁 价 带 价 带 禁 带 带 带 带
总结
TiO2光催化剂的可见光化研究, 将为人类充分利用太阳能, 改 善人类生活环境迈出重要的一步。经过世界各国科学家的共同努 力, TiO2可见光化研究虽然已经取得了一定的进展, 对TiO2的各种 改性方法或多或少都提高了太阳能的利用率。 但从目前的研究成果看,可见光催化或能量转换效率还普遍偏 低, 对各种改性方法的光催化机理存在争议,并且由于光催化反应 体系的复杂性，动力学研究存在许多困难，实际应用过程中载体 性质与负载方法对光催化剂活性的影响等问题仍需进一步深入探 讨。 因此可见光TiO2光催化剂的研制仍将是今后的研究热点。
稀土金属离子
贵金属离子
La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd、Sm 等
Au、Ag、Pt、Ru 等 N、C、S及卤素
无机离子以及其它离子
掺杂某些金属元素后，会在TiO2禁带中形成新能级，使吸收光 谱向可见光方向移动。
金属离子可捕获导带中的电子，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
相关主题
- 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)。
精品课件
3
举个例子
精品课件
4
光催化净化空气
光催化涂层专用纳米二氧化钛
① 具有光催化降解甲醛、苯、氨等有害气体的功效。 ② 具有抗污、屏蔽紫外线功效。 ③ 拥有持续有效的杀菌效果，无需另外添加抗菌剂。
实验证明1% 纳米二氧化钛浓度,自然光照射下作用 24h对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草杆菌黑色变 种芽孢的抗菌率分别为97.7% ,99.7%,88.2%;在不同温 度、pH和光源条件下纳米二氧化钛均表现出很好的 抗菌效果。
光催化材料的研究概况
精品课件
1
光催化的由来
1955年，Brattain 和Gareet 才对光电 现象进行了合理的解 释，标志着光电化学 的诞生
1839年， Becquerel 发现了光电 现象
1972年， 日本东京大 学Fujishima和Honda 研究发现 ，利用TiO2 单晶进行光催化反应可
精品课件
9
光催化材料的开发现状与研究方法
目前国内外光催材料的研究多数停留在二氧化钛及相关修饰,尽管这些工作卓有成效， 但是在规模化利用太阳能方面还远远不够。光催化研究的关键问题之一是发展能够 在太阳光下高效工作的稳定、低成本半导体光催化材料。 为了与传统的TiO2 ，SrTiO3等仅具有紫外光响应的光催化材料相区别，人们称具 有可见光响应的光催化材料为新型光催化材料。
使水分解成氢和氧。这
一开创性的工作标志着
光电现象应用于光催化
分解水制氢研究的全面 启动
精品课件
过去40年里， 人们在光催化 材料开发与应 用方面的研究 取得了丰硕的 成果
2
什么是光催化材料？
光催化材料是指在光作用下可以诱发光 氧化一还原反应的一类半导体材料。
世界上能作为光催化材料的有很多， 包括二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二 氧化锆、硫化镉等多种氧化物硫化物 半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质 稳定无毒，成为世界上最当红的纳米 光触媒材料。
利用两种半导体形成固溶体， 其性质随各个组元在固溶体 中所占百分比而变化，可以 实现对半导体带隙的连续可 调，因而固溶体半导体光催 化材料近年来得到了广泛发 展
pn结为例：当以光子能量大于半导体禁带宽度的入射光照射pn结时，入射到pn 结区的光子，由本征吸收在结的两边产生电子空穴对。由于pn结内存在内建电 场(从n区指向P区)，结两边的少数载流子向相反方向运动：P区电子穿过pn结进 入n区，n区空穴穿过Pn结进入P区，这样就实现了光致电荷的分离，提高光催 化材料的催化活性
导带连续调控、价带连续调 控以及双带同时调控
精品课件
13
光敏化
光敏化:是指将具有可见光响应的有机染料如Ru(bpy)3； 以物理或者化学吸附方式 与半导体氧化物相互作用，建立电性耦合有效地进行电荷转移，形成有机一半导 体复合型光催化材料。
物理机制：敏化剂在光作用下呈激发态并将电子注入到半导体的导带参 与光催化反应
➢多元氧化物 ➢氮化物与氮氧化物 ➢硫化物 ➢聚合物 ➢新兴光催化材料
精品课件
15
结束语：
需要说明的是，目前高效光催化材料开发仍然存在 很多难题。针对这些难题，迫切需要从光催化物理 本质出发，以先进的实验技术手段揭示影响光催化 反应过程的关键因素所在。深化对于光催化反应机 制的认识，由宏观的、定性的描述到微观的、定量 的研究，对光吸收、电子空穴激发和输运过程以及 界面动力学过程进行综合研究，阐明能量传递和转 换的机制，以指导如何高效地发挥现有光催化材料 的催化活性和开发高量子效率的光催化材料。
精品课件
5
当然还有……
精品课件
6
光催化材料的基本原理
光催化反应的基本过程
当入射光能量等于或高于半导体材料的禁 带宽度时，半导体材料的价带电子受激发 跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空 穴，形成电子空穴对；光生电子、空穴在 内部电场作用下分离并迁移到材料表面， 进而在表面处发生氧化一还原反应。
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 CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。
精品课件
7
影响光催化反应的关键因素
发现：无论是光催化分解水还是 光催化环境净化，二者均需要半 导体具有合适的导价带位置以保 证光激发的电子一空穴具有匹配 的还原一氧化能力发生光催化反 应
关键因素
光催化材料本身的光生载流子激 发、分离、输运行为
制约光催化反应发生的多 相界面作用行为
精品课件
8
高效新型光催化材料？
原因：现有的许多光催化材料的光响应范围窄，量子 转换效率低（催化剂活性），太阳能利用率低。
具 备 条 件
附：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的4%，如何利用可见
光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决 条件。常规 TiO2 只能在紫外光响应，虽然通过搀杂改性，其吸收边得以红 移，但效果还不够理想。 因此，开发可见光响应的高效光催化材料是该领 域的研究热点。
不足之处
有效的光敏化必须满 足两个条件?
（1）能量转化效率低 （2）敏化剂的稳定性差
(1)敏化剂在半导体表面的吸附 (2)敏化剂激发态的电位与半导体导带位的匹配
精品课件
14
新型光催化材料开发
目前，新型光催材料设计方法主要以量子化学计算方法为主。借助于理论计 算可以清晰地了解半导体光催化材料电子结构、能带信息以及光催化反应影 响因素。利用这一方法已成功地研究了元素掺杂、取代对光催化材料性能影 响的物理机制，并由此设计出一批新型光催化材料
调控价带位的阳离子掺杂
ห้องสมุดไป่ตู้
多采用Cr，Ni，Fe，V等具 有3d电子轨道的过渡族金属
在宽带隙氧化物半导体的带
隙中插入一个能带使其获得 可见光响应
精品课件
12
复合半导体
异质结
复合半导体
固溶体
异质结利用内建电场使得载 流子传输具有定向性，
因而有效地分离电子一空穴， 降低复合。利用窄带隙半
导体与宽带隙半导体形成异 质结可以有效地拓宽光响应 范围
研 究 方 法
精品课件
10
提高光催化材料性能的途径
精品课件
11
掺杂改性
原理：元素掺杂可以通过轨道杂化有效地改变半导体的导价带位置
调控导带位的阴离子掺杂
主要采用B，C，N，S和P等 非金属元素的P轨道和氧化物 半导体中的O的P轨道杂化提
高其导带位置，从而使一些 宽带隙半导体具有可见光响 应
共掺杂
在遵循原子比例平衡条件下 兼顾化合价态平衡，以阴、 阳离子共掺同时调整半导体 的导、价带位置，改变能带 结构，改善光催化活性