光催化技术和应用PPT讲稿
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。
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。
.
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。
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。
4光催化及其应用PPT课件
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
• 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
水分解光催化剂的改进
• 影响因素：生成电子－正孔的寿命；电荷分 离；氧化还原反应的过电压；反应活性点等；
• 改进方法：Pt助催化剂的使用；加入易氧化 的还原剂，光照射产生的正孔将还原剂氧化 （不可逆），光催化剂中的电子过剩，促进 氢气生成；或加入易还原的氧化剂（Ag+等 化合物）；
Na2S水溶液光照射制取氢气
s- ZnS-Zn微 粒子的X-衍 射分析
X-Ray Diffractometer (XRD)
s- ZnS-Zn微粒子的SEM观察
Field Emission Scanning Electronic Microscope——FE-SEM
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
• 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
水分解光催化剂的改进
• 影响因素：生成电子－正孔的寿命；电荷分 离；氧化还原反应的过电压；反应活性点等；
• 改进方法：Pt助催化剂的使用；加入易氧化 的还原剂，光照射产生的正孔将还原剂氧化 （不可逆），光催化剂中的电子过剩，促进 氢气生成；或加入易还原的氧化剂（Ag+等 化合物）；
Na2S水溶液光照射制取氢气
s- ZnS-Zn微 粒子的X-衍 射分析
X-Ray Diffractometer (XRD)
s- ZnS-Zn微粒子的SEM观察
Field Emission Scanning Electronic Microscope——FE-SEM
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。
光催化第二章PPT课件
例再：利A用u公负式载1T-1iO估2算紫带外隙可宽见度漫约反为射3吸.1收7e光V。谱（，书经P过45K，-M图公2-示8）转换成吸收光谱，
2.3.2 固体光致发光光谱
电子 跃迁
01 非辐射跃迁
02 辐射跃迁 光致发光
光致发光是指一定波长光照下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光 的微观过程。
B
从绝对电负性进行估 算
C
通过测定平带点位实 验获取
一、通过第一性计算
• 通过第一性原理计算能带位置，即通过实验计算导带和价带相对位置，获得 带隙宽度，价带和导带的组成等相关信息。
• 不同的化合物技术的价带和导带位置不具有可比性。
• 第一性原理：跟计算联系在一起的，是指在进行计算的时候除了告诉程序你 所使用的原子和他们的位置外，没有其它的实验的，经验的或者半经验的参 量。与经验参数相对。
(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
0.1~0.2eV间的数值
Vfb=Ecso-μ+2.3kT(pzc-pH)
(1-6)
pzc表示零电荷点对应的pH值，每变化一个pH单位平带电位变化2.3kT，即
0.059V/pH。
2.5.2 表面光电压谱和电场诱导表面光电压谱
表面光电压谱(SPS)和电场诱导表面光电压谱(EFISPS)是研究固体功能材料表面和界面电荷行为非常有效的方法， 能够反映样品的光化学性能、电子能带和表面态结构。
2.3.2 固体光致发光光谱
电子 跃迁
01 非辐射跃迁
02 辐射跃迁 光致发光
光致发光是指一定波长光照下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光 的微观过程。
B
从绝对电负性进行估 算
C
通过测定平带点位实 验获取
一、通过第一性计算
• 通过第一性原理计算能带位置，即通过实验计算导带和价带相对位置，获得 带隙宽度，价带和导带的组成等相关信息。
• 不同的化合物技术的价带和导带位置不具有可比性。
• 第一性原理：跟计算联系在一起的，是指在进行计算的时候除了告诉程序你 所使用的原子和他们的位置外，没有其它的实验的，经验的或者半经验的参 量。与经验参数相对。
(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
0.1~0.2eV间的数值
Vfb=Ecso-μ+2.3kT(pzc-pH)
(1-6)
pzc表示零电荷点对应的pH值，每变化一个pH单位平带电位变化2.3kT，即
0.059V/pH。
2.5.2 表面光电压谱和电场诱导表面光电压谱
表面光电压谱(SPS)和电场诱导表面光电压谱(EFISPS)是研究固体功能材料表面和界面电荷行为非常有效的方法， 能够反映样品的光化学性能、电子能带和表面态结构。
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。
光催化反应的原理与应用
光催化反应的原理与应用光催化反应是一种利用光照下的催化剂引发化学反应的方法。
其基本原理就是在光照条件下，通过光子的能量作用于催化剂表面的电子，使得催化剂表面形成激发态，从而引发化学反应。
在光照条件下，催化剂吸收光子的能量会导致电子被激发到高能态，因此催化剂表面上的电子结构发生变化。
通过这种方式，可以使得催化剂表面的化学键重新排列，从而引发一系列的化学反应，例如氧化还原反应、羰基化反应、酯化反应等等。
与传统的化学反应相比，光催化反应具有许多优点。
首先，光催化反应可以在温和的条件下进行，不需要高温高压等严苛条件，因此不会对反应体系中的其他物质造成破坏。
其次，光催化反应可以高效地利用光能，将其转化为化学能，因此具有非常高的能量利用效率。
此外，光催化反应可以避免大量的废气和废水产生，从而具有非常重要的环保意义。
光催化反应的应用非常广泛，其中最具代表性的就是环保领域。
例如，利用光催化反应可以将水中的有机颜料、细菌等有机物质分解为二氧化碳和水，从而实现水的净化。
此外，光催化反应还可以用于有机废气的净化，例如汽车尾气的净化等。
此外，光催化反应还有广泛的应用价值。
例如，利用光催化反应可以制备具有特殊光学和电学性质的材料，例如光催化复合材料、量子点、金属-有机骨架等。
这些材料不仅可以用于环保领域，还可以用于光电子器件、催化剂等领域。
总之，光催化反应是一种具有广泛应用价值的新型反应体系。
通过光子的能量作用于催化剂表面的电子，光催化反应实现了光能到化学能的高效转化，不仅可以用于环保领域的净化问题，还可以用于材料科学和能源科学。
在未来的发展中，我们相信光催化反应还将会有更广泛的应用前景。
光催化的应用及原理
光催化的应用及原理1. 光催化技术的概述•光催化技术是一种利用可见光或紫外光激发催化剂进行催化反应的方法。
与传统的热催化技术相比，光催化技术具有高效、无毒、无污染等优点，因此在环境治理、能源开发、化学产业等领域得到了广泛应用。
2. 光催化技术的原理•光催化技术的核心是催化剂的光催化作用。
当催化剂吸收光能后，其能级会产生变化，从而使得化学反应发生。
主要的光催化剂包括半导体材料、金属纳米颗粒、有机荧光分子等。
3. 光催化技术的应用领域• 3.1 空气净化：光催化技术可以通过催化反应将空气中的有害物质转化为无害物质，从而实现空气净化的目的。
常见的应用包括室内空气净化、汽车尾气处理等。
• 3.2 水处理：光催化技术可以利用光能将水中的有机污染物氧化分解，从而实现水的净化。
常见的应用包括水处理、废水处理等。
• 3.3 环境治理：光催化技术在环境治理中的应用非常广泛，可以用于处理固体废物、危险废物等。
同时，光催化技术还可以实现大气污染物的降解和控制。
• 3.4 光催化材料的制备：光催化技术在制备光催化材料方面也有重要应用。
光催化材料的制备包括合成、表面修饰等过程，通过调控材料的结构和性质，可以提高催化活性和稳定性。
4. 光催化技术的未来发展方向• 4.1 提高光催化活性：目前光催化技术在能量利用效率和催化活性方面还存在一定的局限性。
未来的研究可以重点关注光催化剂的设计和合成，以提高光催化活性。
• 4.2 开发新型催化剂：目前光催化技术主要依赖于半导体材料和金属纳米颗粒等传统催化剂。
未来的发展可以尝试开发新型的催化剂，如有机无机复合材料、二维材料等。
• 4.3 优化光催化反应条件：光催化反应的效果受到很多因素的影响，包括光照强度、催化剂浓度、溶液pH值等。
优化光催化反应条件可以提高反应效率和产物选择性。
5. 结论•光催化技术是一种环境友好、高效的反应方法，具有广泛的应用前景。
随着催化剂设计和合成技术的不断进步，光催化技术在环境治理、能源开发等领域的应用将会得到进一步发展。
(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。
光催化技术在洗车水处理中的应用介绍ppt课件
工 艺 参 数
1.集水池、混凝沉砂池、沉清池尺寸；
2.设备尺寸
设备装机功率及费用
一、水泵功率：单相1.2KW（备注：间歇运行）。
二、光用功率：0.3KW(0.5T/H设备);0.48KW(1T/H). 0.96KW(2T/H). 三、絮凝剂药耗：0.1元/T 四、水处理停留时间：25分钟 五、合计吨水处理成本：1.0元/T
5）催化剂的立体网状固定化技术，实现了光源的有机而合理分布，从工艺上突破了光 催化氧化技术的产业化应用的难题。
核心技术及处理工艺
处理工艺常用的处理工艺介绍 Nhomakorabea1.洗车废水其主要杂质及污染物： 油污、泥沙、表面活性剂、病菌及其他可溶性物质。
2.对洗车水的处理工艺必须要具有针对性、有效性及可行性。
3.几种处理方法之解析： A.采用石英砂过滤，活性炭吸附多介质过滤器：虽然能将泥沙及有机污染物去 除，但 过滤装置很快就堵塞，活性炭很快吸附饱和失去处理效果，同时过滤介质聚集了大 量的营养成分，利于细菌生长从而腐烂发臭。 B.采用生化法及生物膜法：设备体积大必须满足足够的停留时间；再者洗车废水没有 足够营养保证生物的需要。 C.膜过滤方法：常采用的是超滤膜，其只能过滤固体物质，对溶解性污染物及胶体物 质是无能为力的，每交替使用一次都必须进行反冲洗，且很快堵塞。如采用反渗透 膜或纳滤膜可以达到水质要求，但无异于用大炮打蚊子。 D.光催化氧化法：（本工艺产品所采用的方法）：采用光催化氧化原理，利用光和物 质之间的相互作用，在光和催化剂同时作用下使有机污染物及细菌组织被氧化分解。 达到去除泡沫和水体发臭的根源问题。
后输送至光催化氧化反应器进行光催化氧化反应，将水中溶解性的有机污染
物及各种细菌氧化分解；由于反应器中光催化光源为高密度分布的紫外光， 所以对各种细菌、病菌都具有极强的杀灭作用。经光催化氧化反应器出来的 水直接用于循环洗车。 （在光催化氧化反应器进行氧化反应时通入适当的空气，已达到搅拌和提供光生电子 氧化剂的受体作用）
- 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)。
/nm 0.195
Eg/eV 3.2
rutile
4.22 Tetragonal 9.05 5.8
0.199
3
system
brookite
4.13 Rhombic system
2020/5/29
13
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-
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
2020/5/29
15
纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2光催化剂的催化机理
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。
2020/5/29
4
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
4
.
各种常用半导体的能带宽度和能带边缘电位示意图（pH = 0）
2020/5/29
9
纳米TiO2光催化剂简介
➢光催化技术的发展历史
1972年，Fujishima 在N-型半导体TiO2电极上发现了水 的光催化分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
1977年，Yokota T等发现了光照条件下，TiO2对环丙烯 环氧化具有光催化活性，从而拓宽了光催化反应的应用范围，
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
2020/5/29
14
纳米TiO2光催化剂简介
➢ TiO2光催化材料的特性 1. 原料来源丰富，廉价。但光致电子和空穴的分离 转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低 2.光催化活性高（吸收紫外光性能强;禁带和导带之 间能隙大；光生电子的还原性和空穴的氧化性强）。 只3.化能学用性紫质外稳光定活（化耐，酸太碱阳和光化利学用腐率蚀低），无毒。但 粉末状TiO2在使用的过程中存在分离回收困难等问 题
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
2020/5/29
7
纳米TiO2光催化剂简介
➢为什么要用纳米半导体光催化剂？
原子 轨道
N=1
分子 轨道
N=2
簇物
N=10
量子化 粒子
N=2000
半导体
N>>2000
3.合适的光催化剂具有廉价无毒，稳定及可重复 利用等优点
4.可以利用太阳能作为光源激活光催化剂
5.结构简单，操作容易控制，氧化能力强，无二 次污染
2020/5/29
11
纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2的结构与性质
Ti
O TiO6
TiO2晶型结 构示意图
锐钛矿型:共边 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。
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
为有机物的氧化反应提供了一条新思路。
近年来，光催化技术在环保、卫生保健、自洁净等方面 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。
2020/5/29
10
纳米TiO2光催化剂简介
➢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
光催化技术和应用课件
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
2020/5/29
2
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。
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
2020/5/29
6
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型
LUMO
导
带Байду номын сангаас
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
2020/5/29
8
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+/H2
O2/H2O
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。
2020/5/29
3
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
力工具。
2020/5/29
5
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）
2020/5/29
12
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
Tetragonal system
Lattice constant
a
c
5.27 9.37
Lengths of Ti-O bond
Eg/eV 3.2
rutile
4.22 Tetragonal 9.05 5.8
0.199
3
system
brookite
4.13 Rhombic system
2020/5/29
13
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-
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
2020/5/29
15
纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2光催化剂的催化机理
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。
2020/5/29
4
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
4
.
各种常用半导体的能带宽度和能带边缘电位示意图（pH = 0）
2020/5/29
9
纳米TiO2光催化剂简介
➢光催化技术的发展历史
1972年，Fujishima 在N-型半导体TiO2电极上发现了水 的光催化分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
1977年，Yokota T等发现了光照条件下，TiO2对环丙烯 环氧化具有光催化活性，从而拓宽了光催化反应的应用范围，
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
2020/5/29
14
纳米TiO2光催化剂简介
➢ TiO2光催化材料的特性 1. 原料来源丰富，廉价。但光致电子和空穴的分离 转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低 2.光催化活性高（吸收紫外光性能强;禁带和导带之 间能隙大；光生电子的还原性和空穴的氧化性强）。 只3.化能学用性紫质外稳光定活（化耐，酸太碱阳和光化利学用腐率蚀低），无毒。但 粉末状TiO2在使用的过程中存在分离回收困难等问 题
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
2020/5/29
7
纳米TiO2光催化剂简介
➢为什么要用纳米半导体光催化剂？
原子 轨道
N=1
分子 轨道
N=2
簇物
N=10
量子化 粒子
N=2000
半导体
N>>2000
3.合适的光催化剂具有廉价无毒，稳定及可重复 利用等优点
4.可以利用太阳能作为光源激活光催化剂
5.结构简单，操作容易控制，氧化能力强，无二 次污染
2020/5/29
11
纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2的结构与性质
Ti
O TiO6
TiO2晶型结 构示意图
锐钛矿型:共边 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。
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
为有机物的氧化反应提供了一条新思路。
近年来，光催化技术在环保、卫生保健、自洁净等方面 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。
2020/5/29
10
纳米TiO2光催化剂简介
➢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
光催化技术和应用课件
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
2020/5/29
2
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。
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
2020/5/29
6
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型
LUMO
导
带Байду номын сангаас
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
2020/5/29
8
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+/H2
O2/H2O
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。
2020/5/29
3
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
力工具。
2020/5/29
5
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）
2020/5/29
12
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
Tetragonal system
Lattice constant
a
c
5.27 9.37
Lengths of Ti-O bond