光催化剂的制备—开题报告

目录

1文献综述 (1)

1.1 光催化材料发展概况 (1)

1.1.1 光催化材料的起源与种类 (1)

1.1.2 改善光催化材料性能的主要方法 (2)

1.2 目前光催化技术的应用 (3)

1.3 TiO2 光催化材料存在的问题与展望 (4)

2 研究目的和意义 (5)

3 研究内容 (5)

5 进度计划 (6)

参考文献 (6)

1文献综述

1.1 光催化材料发展概况

1.1.1光催化材料的理论基础与种类

自1972年，Fujishima[1]等在Nature上发表的论文揭开了研究光催化技术的序幕。之后的几十年光催化技术在光催化抗菌、光催化污水处理、太阳能光催化分解水制氢等众多领域有了深入的发展。光催化技术以半导体的能带理论为基础。半导体的能带结构一般由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，它们之间由禁带分开。当以能量等于或大于半导体禁带宽度的光照射时，价带电子被激发进入导带，在导带上产生带负电的高活性电子(e－)，价带上留下带正电荷的空穴（h+），形成电子-空穴对，在电场作用下分离并迁移到粒子表面。

半导体光催化的基本过程可描述为：光激发诱导半导体价带电子跃迁到导带，藉此，在半导体导带和价带中分别形成电子和空穴；电子-空穴通过晶格迁移到材料表面，该过程中电子-空穴的分离和复合相互竞争；在材料表面的电子和空穴分别与周围反应介质发生还原和氧化反应。换言之，半导体光催化的基本过程可简单描述为：半导体中的光生电子-空穴在晶格中分离并迁移到材料表面参与化学反应，这期间一直伴随着电子-空穴的分离和复合的竞争过程。

理想的光催化材料有如下四个基本要求[2]：环境友好；优异的电子-空穴分离能力；适合的能带电势，尤其在光催化分解水的应用中，要服从产氢和产氧的能带匹配原则；可见光响应能力。

目前所报道的光催化材料主要集中于：

1)氧化物：以 TiO2、In1-x Ni x TaO4等为代表

2)硫化物：CdS、ZnS、ZnS-CuInS2-AgInS2、(AgIn)xZn2−2x S2等

3)氧硫化物：Ln2Ti2S2O5 (Ln = 稀土元素) 等；

4)氮化物： Ta3N5、Ge3N4、GaN等；

5)氧氮化物：LaTiO2N、Y2Ta2O5N2、TaON、(GaN)1-x(ZnO)x、MTaO2N(M = Ca、Sr、Ba) 等；

6)氢氧化物：In(OH)3:S；

7)磷化物：InP；

8)碳化物：SiC；

9)硅化物：TiSi2。

其中，氧化物具有化学稳定好的优点，是研究得最充分的体系，元素周期表中所有可能作为光催化剂的简单二元金属氧化物均被涉猎到，目前研究的趋势是利用能带杂化的概念开发三元乃至多元的金属氧化物或固溶体；硫化物由于共价性较强，容易获得窄的禁带宽度，但在光催化过程中不可避免地存在光刻腐蚀的现象；氧硫化物的性能介于氧化物和硫化物之间；氮化物的共价性强，氧化物半导体通过氮掺杂可明显使吸收边红移；氧氮化物性能介于氧化物和氮化物之间；其他的如氢氧化物、磷化物、碳化物和硅化物等系列作为光催化材料的研究报道并不多见。

1.1.2改善光催化材料性能的主要方法[3]

光催化材料已经显示出了其广阔的运用前景，但光催化材料所存在的一大明显不足就是对于太阳光的利用率和转化率太低，因此，近年来许多科学家都致力于对光催化材料的改性以及光催化剂的开发。

以纳米 TiO2为例，纳米TiO2以其无毒，光催化活性高，稳定性高，氧化能力强，能耗低，可重复使用等优点而成为最优良的光催化材料。但是TiO2的禁带宽度( Eg=3 .2 eV) 较大，只能吸收占太阳光谱大约4%的紫外辐射 (波长=387 .5 n m)，所以不能充分利用太阳能；此外，光生电子和空穴复几率很高，导致TiO2的光生载流子利用效率低，由于存在这两个缺陷，在一定程度上制约了TiO2光催化技术的实际应用。围绕这两个关键问题，目前半导体光催化技术研究呈现两个热点：( 1 )对TiO2进行修饰改性以扩展其有效光响应范围及提高光生电子和空穴的利用效率,提高光催化反应活性。( 2 )开发新型半导体光催化剂，要求其对可见光生电子和空穴的利用效率，提高光催化反应的活性。

影响TiO2光催化反应活性的因素：

1）金属沉积的影响[5]：常见的沉积贵金属有Pt、P d 、Ag、Au等，其中研究最多的是P t/Ti O2体系，沉积贵金属可改善光催化剂活性。贵金属沉积之所以能改善光催化剂的活性，因为金属与Ti O2具有不同的费米能级，大多数情况下是金属的功函高于半导体的功函数，当二者接触时，电子发生转移，从费米能级高的Ti O2转移到费米能级低的金属，直到二者费米能级相匹配。

2）金属离子修饰的影响：大量研究表明，掺入金属离子可改善TiO2的光催化性能。从化学观点看，金属离子掺杂可能在半导体晶格中引入了缺陷位置或改变结晶度等，从而影响电子一孔穴对的复合。

3）半导体复合的影响：近年来的研究表明Ti O2—C d S、Ti O2—S n O2 等二元复合半导体几乎都表现出高于单个半导体的光催化性能，如Ti O2—S n O2降解燃料的效率提高了1 O倍。二元复合半导体光催化活性的提高可归因于不同能级半导体之间光生载流子的运输与分离。半导体复合是提高光催化效率的有效手段。通过半导体复合可以提高系统的电荷分离效果，扩展对光谱吸收范围。

4）光敏催化剂的影响：普通粉末催化剂的量子效率不高，而纳米材料在光学性能，催化性能等方面发生了变化。光生电子与空穴从相体内扩散到催化剂表面发生氧化还原反应的时间t与颗粒尺寸与如下关系：t =d2 ／( K2 D) 式中：D为电子空穴扩散系数, d为半径，k为常数。可见粒径小，光生电子和空穴从TiO2体内扩散表面的时间短，它们在TiO2体内的复合几率减小，到达表面的电子和空穴数量多，光催化活性高。

Ti O2能有效的将废水中的有机物降解为TiO2、CO2、PO43—、SO42 —、NO3—、卤素离子等无机小分子、达到完全无机化的目的。染料废水、农药废水、表面活性剂、氯代物、氟里昂、含油废水等都可以被Ti02催化降解。B l a k e在一篇综述中详细罗列了3 0 0多种可被光催化的有机物。美国环保局公布的1 1 4种有机物均被证实可通过光催化氧化降解矿化。

许多无机物在Ti02表面也具有光化学活性，Mi y a k a等早在19 7 7年就用T i O2悬浮粉末光解Cr2O72- 还原为C r3+的研究。利用二氧化钛催化剂的强氧化还原能力，可以将污水中汞、铬、铅、以及氧化物等降解为无毒物质。

1.2 目前光催化技术的应用

光催化作为一种自然现象已在电化学、光化学、催化化和生物化学等领域中得到广泛的研究和应用。

1）光催化抗菌领域：近年来，纳米材料光催化技术在太阳能光催化杀菌消毒等方面得到了快速发展。尤其是 2003 年春夏出现的严重急性呼吸道感染综合症（SARS），使得人们对预防病菌、病毒等微生物引起的环境健康问题展开了进一步研究，从而推进了纳米光催化抗菌杀毒技术研究的深入展开，各种光催化抗菌制品应运而生，并获得了迅速发展。在光催