纳米二氧化钛光催化材料讲解学习
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。
环境问题已严重影响现代文明的发展，有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康，开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。
纳米TiO2作为一种光催化材料，具有优异的物理和化学性质，因而被广泛应用和重点研究。
本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。
标签：纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能引言半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。
以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。
科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能，使其能在生产实践中广泛应用。
1、TiO2材料简介TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中金红石是TiO2的高温相，锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。
在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。
锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV 与之对应的激发波长为387nm。
所以，TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性，在可见光下一般没有活性。
只有对它的结构进行改性，使它的禁带宽度得以缩小，才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。
改性的方式目前主要有以下几种方法：通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法，通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法，提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法，增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。
光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。
粒径的减小能够使表面原子增加，使光催化剂吸收光的效率显著提高，使其表面e一和h十的浓度增大，从而提高光催化剂的催化活性。
光催化课件：第五章 纳米氧化钛光催化活性
用锐钛矿催化剂时，苯醌浓度在 ～ 内达到最大值， 用锐钛矿催化剂时，苯醌浓度在30～60min内达到最大值，随后 内达到最大值 浓度基本不变。 浓度基本不变。 而金红石和混晶时，苯醌浓度随反应时间的延长而增大。 而金红石和混晶时，苯醌浓度随反应时间的延长而增大。
纳米二氧化钛作为光催化剂的原理及应用
纳米二氧化钛作为光催化剂的原理及应用纳米二氧化钛是一种广泛应用于光催化降解有机污染物的材料。
其具有高表面积、光稳定性、可控的晶型和可调控的带隙等优良性质。
纳米二氧化钛作为光催化剂的原理是利用其能够吸收光子并激发电子，产生电子空穴对，导致氧化还原反应的发生。
纳米二氧化钛在光照下能够将水分解成氢和氧，也能够将有机污染物降解成二氧化碳和水等无害物质。
因此，纳米二氧化钛在环境净化、水处理、空气净化等方面具有广泛应用前景。
- 1 -。
二氧化钛
一：1：纳米二氧化钛是目前应用最为广泛的一种纳米材料。
它是一种半导体材料,除了具有纳米材料共同的特点外,还具有光催化性能。
近十多年来,随着环境污染日益严重,利用半导体粉末作为光催化剂催化降解有机物的研究已成为热点。
在作为光催化剂的主要原料N 型半导体TiO2、ZnO2、CdS、WO3中,相比较而言, TiO2活性高、化学稳定性好、对人体无害,是理想的环保型光催化剂。
实验表明, TiO2至少可以经历12次的反复使用而保持光分解效率基本不变,连续580分钟光照下保持其活性,因而将其投入实际应用有着广阔的发展前景。
2：纳米二氧化钛的光催化降解机理：当二氧化钛受到波长小于387. 5nm的紫外光的照射时,价带上的电子跃迁到导带,激发电离出电子同时产生正电性的空穴,形成电子-空穴对,与吸附溶解在其表面的氧气和水反应。
分布在表面的空穴将OH -和H2O氧化成HO自由基。
HO 自由基的氧化能力是在水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大部分的有机污染物和无机污染物,而且对反应物几乎无选择性,在光催化氧化中起着决定性的作用。
二氧化钛的表面电子可被溶解在表面的氧俘获形成O2-。
另外表面电子具有高的还原性,可以去除水体中的金属离子。
生成的原子氧和氢氧自由基使有机物被氧化、分解,最终分解为CO2、H2O和无机物。
3：目前的研究现状：尝试对不同微生物的杀灭作用：为了考察TiO2对微生物的作用,根据不同的研究和应用背景,人们选择了细菌、病毒、藻类、癌细胞等。
目前已有报道的考察TiO2光催化作用的细菌类有: 乳杆嗜酸细胞(Lactobacil lus acidophi lus),酵母菌( Saccharomyces cerevisiae), 大肠杆菌( Es-cherichia coli), 链球菌( S treptococcus mutans , S .ratus , S .cricetus , S .sobrinus AHT)。
二氧化钛光催化原理讲解学习
精品文档TiO2光催化氧化机理TiO2属于一种 n型半导体材料，它的禁带宽度为 3.2ev （锐钛矿） , 当它受到波长小于或等于 387.5nm的光 ( 紫外光 ) 照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（ e-）; 而价带中则相应地形成光生空穴 (h +) ，如图 1-1 所示。
如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到 TiO2表面不同的位置。
TiO2表面的光生电子 e- 易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴-附于 TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的 OH和H2O分子氧化成自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、 CO2和H2O等无害物质。
反应过程如下：反应过程如下：+-(3)+-（ 4）TiO 2 + hv → h+e h+e →热能+(5)++(6)h + OH- → ·OH h + H 2O → ·OH + H-（ 7）O2+ H+→ HO2·(8)e- +O 2→ O22 H2O·→ O2 + H2O2(9)H2O2+ O 2+(10)→·OH+H +O2·OH + dye → ···→ CO2 + H 2 O(11)H+22(12)+ dye → ···→CO +HO由机理反应可知 ,TiO 2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。
Ti0 2光催化氧化的影响因素1、试剂的制备方法常用 Ti0 2光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。
不同方法制得的 Ti0 2粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。
同时在制备过程中有无复合，有无掺杂等对光降解也有影响。
Ti0 2的制备方法在许多文献上都有详细的报道，这里就不再赘述。
纳米TiO2光催化性能lx
纳米二氧化钛光催化性能的研究内容摘要纳米二氧化钛（TiO2）作为一种光催化剂，是一种性能优良的N型半导体材料，在发生反应时表现出较好的光稳定性和较高的反应活性，并且无二次污染，是当前应用前景最为广阔的一种纳米功能材料。
本文首先介绍了纳米TiO2的性质及光催化机理，讨论了各种因素对纳米TiO2光催化性能的影响，如晶格缺陷、温度、pH、光照条件以及TiO2的量等。
介绍了液相沉淀法，溶胶-凝胶法，微乳液法三种常用的制备纳米二氧化钛的方法及其光催化性能。
另外，还介绍了关于纳米二氧化钛的改性方面的成就和几种常见的表征手段。
最后简要介绍了光催化技术在环境保护、卫生保健,特别是在光催化功能型材料等方面的贡献,并对其今后的研究进展和应用前景进行了总结和展望。
【关键词】纳米TiO2光催化性能Study On Photocatalytic Property Of Nano-TiO2AbstractNano-titanium dioxide (TiO2) as a kind of photocatalysts, is a kind of n-type of semiconductor materials, with good light stability and high reactivity and has no secondary pollution, is the current potential applications of the most extensive functional nanomaterials.This article describes the nature and nano-TiO2 photocatalytic mechanism to discuss the various factors on TiO2 photocatalytic effects, such as the performance of lattice defects, temperature, pH, illumination conditions and the dosage of TiO2, etc.Describes performance liquid precipitation, sol-gel, MicroEmulsion preparation of three kinds of titanium dioxide nanoparticles method, and photocatalytic properties.Also, presents of titanium dioxide nanoparticles modifing the achievement and characterization of a few familiar.Finally the photocatalytic technology in environmental protection, health care, especially in the photocatalytic functional materials in the areas of contribution, and on its future progress and application of the summarized and prospects.【Key Words】Nano-TiO2photocatalysis property目录前言 (1)一、纳米二氧化钛的性质 (1)（一）表面界面效应 (1)（二）小尺寸效应 (1)（三）量子尺寸效应 (1)（四）宏观量子隧道效应 (2)二、二氧化钛光催化原理 (2)（一）二氧化钛粒子的能带结构 (2)（二）光催化作用机理 (2)（三）影响T i O2光催化活性的因素 (3)三、二氧化钛光催化剂的制备方法 (7)（一）液相沉淀法 (7)（二）溶胶-凝胶法 (8)（三）微乳液法 (9)四、二氧化钛的改性 (9)（一）贵金属沉积 (9)（二）复合半导体 (10)（三）表面光敏化 (10)五、二氧化钛光催化的表征方法 (11)（一）热重法 (11)（二）X射线衍射法 (12)（三）比表面积测定 (13)（四）紫外-可见吸收/漫反射光谱 (13)（五）红外光谱 (14)六、二氧化钛光催化技术的应用 (14)（一）污水处理 (14)（二）表面自洁 (14)（三）杀菌 (15)七、现存问题及前景展望 (15)致谢 (15)参考文献 (16)纳米二氧化钛光催化性能的研究前言光催化氧化技术是一门基于TiO2半导体的科学，现已被列入最有前景的环保高新技术当中。
二氧化钛光催化原理讲解学习
TiO2光催化氧化机理TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-）;而价带中则相应地形成光生空穴(h+)，如图1-1所示。
如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。
TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO2和H2O等无害物质。
反应过程如下：反应过程如下：TiO2+ hv → h+ +e- (3) h+ +e-→热能（4）h+ + OH- →·OH (5) h+ + H2O →·OH + H+(6)e- +O2→ O2- （7）O2 + H+ → HO2·(8)2 H2O·→ O2 + H2O2(9) H2O2+ O2 →·OH + H+ + O2(10)·OH + dye →···→ CO2 + H2O (11)H+ + dye→···→ CO2 + H2O (12)由机理反应可知,TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。
Ti02光催化氧化的影响因素1、试剂的制备方法常用Ti02光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。
不同方法制得的Ti02粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。
同时在制备过程中有无复合，有无掺杂等对光降解也有影响。
Ti02的制备方法在许多文献上都有详细的报道，这里就不再赘述。
纳米TiO2光催化材料(讲)详解
0.199 3
板钛矿 4.13 斜方晶系
➢锐钛矿相和金红石相TiO2的能带结构
CB/e3.2eV
两者的价带位置相同，光生空
0.2eV CB/e-
穴具用相同的氧化能力;但锐钛矿 相导带的电位更负，光生电子还
原能力更强
3.0eV
VB/h+
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
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。
纳米TiO2光催化剂简介
纳米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，因此具有光催化降解一些化合 物的能力。
纳米TiO2以其优异的光催化活性、价格低廉、 无毒无害等优点得到了广泛的应用。
2.当氧的分压较低（如PO2 ≤5066.25Pa），底物S的浓度较高 （大于10-3mol/dm-3)时。温度效应取决于温度对有机底物和氧 吸附性能的影响。
其他影响因素 除了前面提过的影响因素外，外加氧化剂、光源、
光强、反应液中的盐等外界条件都可以对TiO2的光 催化活性产生一定的影响。
➢ TiO2光催化材料的特性
➢ TiO2光催化活性的光催化的影响因素
TiO2晶体结构的影响
在 TiO2的三种晶型锐钛矿、金红石和板钛矿中，锐钛矿表 现出较高的活性，原因如下：
1.锐钛矿较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负 的电位，因而具有较高的氧化能力
2.锐钛矿表面ห้องสมุดไป่ตู้附H2O，O2及OH-的能力较强，导致光催 化活性较高
纳米二氧化钛的制备及光催化分析
苏州科技大学材料科技进展化学生物与材料工程学院材料化学专业题目：纳米二氧化钛的制备及光催化*名：**学号：**********指导老师：***起止时间：5月20日——6月8日纳米二氧化钛的制备及光催化吕岩（苏州科技学院，化学与生物工程材料学院，江苏，苏州，215009）摘要:纳米二氧化钛是种重要的纳米材料，其在众多领域有着广泛的应用。
本文主要介绍纳米二氧化钛的多种制备方法，包括化学气相法(化学气相沉积法、化学气相水解法等)、液相法( 溶胶凝胶法、沉淀法、水热合成法等)两大类,并分析了各种工艺的优劣。
并介绍纳米二氧化钛光催化反应原理,基本方法,影响因素,及其广泛的应用。
通过介绍纳米二氧化钛的制备及光催化的研究，更深刻理解其在生产生活中应用。
关键词：纳米TiO2，制备方法，光催化.The study on preparation of nanometer TiO2 and photocatalyticLv Yan(University of Science and Technology of Suzhou,School of Chemical and Biological Engineering Materials,Jiangsu,Suzhou,215009) Abstract: A s an important nanomaterial nanometer TiO2 has wide app lications in many fields, such as environmental production. Preparation methods of nanomaterial TiO2w ere briefly summarized, including chemical gas phase method( CVD and chem ical gas phase hydro lysis method etc. ) and liquid phase method( sol- gelmethod, precipitation method, hydrothermal synthesismethod etc. ). The advan tages and disadvanges o f everym ethod w ere analyzed. Introduce nano TiO2reaction principle, basic method, influence factors, and its wide application. Through the introduction of the preparation of nano TiO2 research, a deeper understanding of its application in the production and living.Key words: nanometer T iO2; preparation method, photocatalysis引言：纳米二氧化钛是一种新型的光催化无机功能材料，由于其粒径在1~ 100 nm 之间, 具有粒径小、比表面积大表面活性高、分散性好等特点, 表现出独特的物理化学性质。
纳米二氧化钛光催化技术介绍
把含有二氧化钛光催化剂的喷涂材料，喷涂在公路表面，汽车排出的氮氧化物沾在路面，便被分解为硝酸离子，下雨时会被雨水冲洗掉。将非晶质状的纳米TiO2光催化剂事先混入氯乙烯等树脂材料中，结果，燃烧时它就会吸附氯等到有害物质，落在地面，遇到阳光，氯化物就会自动分解。这给以材料自身以减轻环境负荷的能力
最早工业化使用纳米TiO2仍是发现人藤岛昭教授，10年前他和日本乐陶公司的客座研究员渡部俊合作研究，有一次交换意见时，渡部俊提出“如果大量生产氢能不行，那么，把它应用在分解微量的在害化学物质方面，如清除厕所便器上的黄色污垢怎么样?”1998年，他们利用喷涂TiO2光催化剂的方法，成功开发出厕所和浴池用防污瓷砖，成为TiO2光催化剂技术迅速发展的导火线。
TiO2光催化剂，因为它有杀菌作用，而且自身无毒害，在医疗领域也得到应用。科学家用白鼠做的实验结果表明，直接向皮肤癌等病灶注射光催化剂，在紫外线照射下，癌细胞会被杀死。
用TiO2光催化剂防治虫牙也取得疗效，因为二氧化钛杀死了变形链球菌，使它无法在内分解糖分，进而产生酸溶解牙齿上的钙质和磷质。
超群的亲水性也是TiO2光催化剂的独特之处。可用于防水、防污领域。如：不用擦的汽车后视镜，防水气和防污的玻璃、陶瓷、塑料和防污液晶显示器等产品。
TiO2光催化剂，还可用在消臭的领域：如用喷涂、印染和浸泡等方法把光催化剂与树脂的混合物溶液加工到聚脂、尼伦、等纤维上，再制造成织物，使之具有防污，防水、脱息、杀菌等功能，可用作衣服、床单、枕套等……，一种名叫光催化剂脱臭装置的空调节器由光催化剂过滤器，冷极灯和电源构成，具有长期稳定的净化空气和脱臭功能，适合于家庭、医院及其它公共场所便用。
一、“本多——藤岛效应”：
光催化剂效应，又称“本多——藤岛效应”是日本的本多健一和藤岛昭两位学者发现的。1967年本多健一副教授和他的研究生藤岛昭在做金属的光合作用时发现：用二氧化钛和白金作电极，放在水里，用光照射，即使不通电，也能够把水分解为氧气和氢气。现在是东京大学教授的藤岛昭回忆说：他在观察到这一现象时，激动和兴奋得睡不着觉。植物的光合作用竞能在金属里如此简单地再现出来。利用阳光就可以大量生产清洁的氢能。这是多么有魅力的技术。1969年他们发表了关于二氧化钛的氧化分解功能的论文，从此光催化剂效应便被称为“本多——藤岛效应”。但当时TiO2的光催化效率低，这项研究成果就被搁置起来。90年代中期，现代研究已经了解，TiO2在受到阳光或荧光灯的紫外线照射后，内部电子——空穴对激励，产生具有强氧化分解能力的活性氢氧(羟)基原子团。在光和氧或水的存在下可降解几乎所有的附着在氧化钛表面的各种有机物如氢化物、氮氧化物、硫化物、氯化物。但当时TiO2光催化剂的研究处于两难的境地：一方面，为了提高，激发态电子——空穴对的活性，从而提高催化活性，需要高的禁带宽度，也就需要吸收带“兰移”。TiO2的吸收阀值波长为387纳米即3870?(埃)。一方面为了提高阳光(荧光)的利用率，又要求吸收带“红移”。这一对矛盾，一直制约了TiO2光催化性的活性增强。有关专家学者，希望找到一种类似激光调制的光学倍频材料将可见光，红外光变频到紫外区。或添加促进剂在可见光范围内具有效高的催化活性。这是TiO2光催化剂一直是研究热点，又多年来不能实用的根本矛盾所在，但随着纳米科技的发展TiO2(锐钛矿型)，在纳米尺度下禁带宽度得到满足，从根本解决了TiO2催化剂活性增强的问题。
二氧化钛光催化技术介绍
纳米二氧化缺光催化技荷介^纳米光催化探用二氧化金太(TiO2)半^髓的效鹿启攵勤材料表面吸附氧和水分，走生活性氢氧自由基(OH.)和超氧陪雕子自由基(02-), ^而^化舄一希重具有安全化孥能的活性物筲起到碳化降解璞境污染物和抑菌杀殳菌的作用。
纳米二氧化金太(TiO2)光催化利用自然光即可催化分解^菌和污染物，具有高催化活性、良好的化孥穗定性、照二次污染、照刺激性、安全照毒等特黑占，且能畏期有益於生熊自然璞境，是最具有^畿前景的^色璞保催化蒯之一。
然毒害的纳米TiO2催化材料，充分畿撞抗菌、降解有^污染物、除臭、自浮化的功能，是^璞保型功能材料^施方便、雁用性弓鱼，能^ 用到生活空^的多重埸合，畿撞其多功能效废，成舄我仍生活璞境中起畏期浮化作用的璞保材料。
光催化原理-什麽是光催化光催化［Photocatalyst ］是光［Photo二Light］ +催化蒯［catalyst］的合成羞司。
主要成分是二氧化金太（Ti02）,二氧化金太本身照毒照害，已腐泛用於食品，髻桑，化片攵品等各希重令臭域。
光催化在光的照射下畲走生^似光合作用的光催化反雁（氧化-遢原反雁，走生出氧化能力桎弓鱼的自由氢氧基和活性氧，是些走物可^M^菌和分解有檄污染物。
亚且把有檄污染物分解成照污染的水（H20）和二氧化碳（C02）,同畤它具有杀殳菌、除臭、防汗、^水、防紫外^泉等功能。
光催化在微弱的光%泉下也能做反底若在紫外#泉的照射下光催化的活性畲加逾近来，光催化被餐舄未来走棠之一的纳米技彳桁走品。
-光催化反雁原理TiO2富吸收光能量之彳爰，僵带中的雷子就畲被激畿到^带，形成带^雷的高活性雷子e-,同畤在僵带上走生带正雷的空穴h+。
在雷埸的作用下，雷子典空穴畿生分雕，暹移到粒子表面的不同位置。
熟力孥理言禽表明，分怖在表面的h+可以将吸附在TiO2表面OH-和H2O 分子氧化成（OH.）自由基,而OH.自由基的氧化能力是水髓中存在的氧化蒯中最弓鱼的，能氧化亚分解各重有^污染物（甲醛、苯、TVOC等）和^菌及部分照檄污染物（氨、NOX 等），亚将最^降解舄CO2、H2O 等照害物鼻由於OH自由基封反废物^乎MB®性，因而在光催化中起著〉夬定性的作用。
纳米二氧化钛光催化材料及其应用PPT资料(正式版)
主要有机物光催化降解反应
有机物 催化剂 光源
光解产物
烃
TiO2
卤代烃
TiO2
羧酸
TiO2
表面活性剂 TiO2
染料
TiO2
含氮有机物 TiO2
有机磷杀虫剂 TiO2
紫外
CO2 ，H2O
紫外
HCl，CO2，H2O
紫外，氙灯 CO，H2，烷烃，醇，酮，酸
日光灯
CO2，SO32-
紫外
CO2，H2O，无机离子，中间物
形态 锐钛矿
晶格常数 相对密度 晶格类型
3.84
a
c
正方晶系 5.27 9.37
Ti-O距离 禁带宽度 /nm /eV
0.195 3.2
金红石
4.22 正方晶系 9.05 5.8 0.199 3
板钛矿
4.13 斜方晶系
TiO6
Ti
O
锐钛矿相和金红石相二氧化钛的能带结构
CB/e-
3.2eV
VB/h+
Valence band
Ø表面积效应 载Pt后的TiO2光催化性能
N2(g)+3H2
2NH3
光催化剂固定化的技术优势
近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的
但是也存在光随催化着剂分粒散子度降尺低，寸与反减应小物接到触面纳积米减小级，光，吸光收效催果变化差剂等缺的点 比表面积大大增加，对底
Overall reaction: D+A
h PC
Doxidized +Areduced
有代表性的光催化半导体材料及其能带
(NHE)
0 △
GaAs CdS (n,p) (n)
实验32--纳米二氧化钛光催化剂的合成及其催化性能
实验32 纳米二氧化钛光催化剂的合成及其催化性能一、实验目的1．了解纳米光催化技术的基础知识和发展趋势。
2．掌握溶胶-凝胶法制备纳米粒子的原理，用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2微粉。
3．了解纳米粒子常用的表征手段。
4．掌握纳米材料的合成方法并对其了解应用前景。
二、实验原理自70年代初发现二氧化钛电极具有光照下分解水的功能以来，有关二氧化钛半导体光催化剂的研究成为环境领域的一个热点。
用半导体光催化分解毒性有机物有两个优点：第一，适当选择催化剂，可以利用太阳能处理毒物，节约能源；第二，一些半导体的光生空穴具有很强的氧化能力，能彻底降解绝大多数有机物质，而且能将它们最后分解为二氧化碳、水和无机物，避免了用化学方法处理带来的二次污染。
制备纳米粒子的方法很多，如化学沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法、反相胶团法、气相法等。
溶胶－凝胶法(Sol－Gel法)是指无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法。
溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停的进行布朗运动的体系。
根据粒子与溶剂间相互作用的强弱，通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。
由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高，溶胶是热力学不稳定体系。
凝胶是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联，形成空间网状结构，在网状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。
并非所有的溶胶都能转变为凝胶，凝胶能否形成的关键在于胶粒间的相互作用力是否足够强，以致克服胶粒－溶剂间的相互作用力。
对于热力学不稳定的溶胶，增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。
因此，胶粒间相互靠近或吸附聚合时，可降低体系的能量，并趋于稳定，进而形成凝胶。
该方法的优点是：(1)反应温度低，反应过程易于控制；(2)制品的均匀度和纯度高、均匀性可达分子或原子水平；(3)化学计量准确，易于改性，掺杂的范围宽(包括掺杂的量和种类)；(4)从同一种原料出发，改变工艺过程即可获得不同的产品如粉料、薄膜、纤维等；(5)工艺简单，不需要昂贵的设备。
纳米TiO2光催化材料简介及光催化机理毕业设计
纳米TiO2光催化材料简介及光催化机理毕业设计目录摘要 ................................................... 错误!未定义书签。
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1.文献综述 (1)1.1 纳米TiO光催化材料简介及光催化机理 (1)2光催化材料简介 (1)1.1.1 纳米TiO21.1.2 TiO光催化的基本原理 (1)21.2 提高光催化性能的改性方法及原理 (3)1.2.1 过渡金属元素掺杂 (3)1.2.2 稀土元素掺杂 (4)1.2.3 非金属元素掺杂 (4)制备方法 (5)1.3 掺杂TiO21.3.1 共沉淀法 (5)1.3.2 浸渍法 (6)1.3.3 W/O型微乳液法 (6)1.3.4 固相反应法 (6)1.3.5 溶胶凝胶法溶胶一凝胶法 (7)1.4 金属离子掺杂改性TiO的原理及影响因素 (7)2的光催化机理 (8)1.4.1 金属离子掺杂 TiO21.4.2 金属离子掺杂改性TiO光催化性能的影响因素 (9)21.5 TiO2光催化技术在环境净化方面的应用 (11)1.5.1 水环境有机污染物的去除 (11)1.5.2 空气净化 (12)1.5.3 高效杀菌 (12)1.6 本课题研究的意义及内容 (12)1.6.1本课题研究的意义 (12)1.6.2本课题研究的内容 (13)2 实验方法 (15)2.1 设计及实验流程图 (15)2.2 仪器与试剂 (16)2.2.1 实验仪器 (16)2.2.2 分析测量仪器 (16)2.2.3 化学试剂和原材料 (16)2.2.4 初始化学试剂的配制 (17)2.3 凝胶的制备及条件的选择 (18)2.3.1 TiO凝胶的制备 (18)2凝胶的制备 (19)2.3.2 M/TiO22.4 粉末的制备 (19)2.5 粉末的光催化降解实验方法 (19)2.6 粉末的表征 (20)3.实验结果及讨论 (21)3.1 焙烧温度的影响及优选 (21)3.2 不同金属掺杂的影响及优选 (21)3.3 掺杂量的影响及优选 (22)3.4 不同反应pH的影响及优选 (23)3.5 表征数据的处理及分析 (23)3.5.1 (23)3.5.2 (23)3.5.3 (23)4 结论 (24)5 谢辞 (27)6 参考文献 (26)7.附录 (28)1.文献综述1.1 纳米TiO2光催化材料简介及光催化机理1.1.1 纳米TiO2光催化材料简介自从1972年日本Fujisima和Honda报道了TiO2电极上电解水现象后，半导体光催化引起了国际化学、物理学和材料学等领域科学家的广泛关注。
半导体光催化基础-第四章-纳米二氧化钛PPT课件
4.1 纳米材料的基本概念
▪ 所谓纳米材料，是指晶粒尺度介于原子簇 和通常所说的尺度大于亚微米粒子之间的 超细材料，其晶粒尺寸一般为1~100nm。
▪ 在这个尺度范围内，电子波函数的相关长 度与体系的特征尺寸相当，或者说，固体 颗粒的尺度与第一激子的德布洛依半径相 当，电子的波动性在电子输运过程中得到 充分的展现。
易团聚Biblioteka 纳米TiO2的气相制备方法
▪ 气相法的主要优点是：纯度高，分散性好，粒度分 布窄，后处理简单。其缺点是气相反应需要将物料 气化，能耗较高，对反应器的形式、材质及进出料 方式均有很高的要求，技术难度较大。
▪ Degussa P25 TiO2的制备：在高于1200℃的高温 火焰中，在H2、O2参与下将TiCl4水解而制得，所 得产品再用过热蒸汽处理以除去表面的HCl。
4.2.4 热载流子效应
▪ 在粉末体系光催化反应中，当入射光子能量 hυ＞Eg时，多余能量△E= hυ—Eg往往以 热能形式耗散在晶格中，但当半导体微粒进 入纳米尺度时，光生载流子的转移路径很短， 颗粒中原子数目也很少。因此，碰撞几率大 大减少，热损失可显著降低并以热动能形式 提高电荷转移速度，相应地提高了能量转换 效率。这种大于带隙的激发能被利用的过程 称为热载流子注入或热载流子效应。
▪ 其次，随着纳晶粒子粒粒径的减小，比表面则 急剧增高，如粒径为10nm时，比表面为90m2/g， 粒径为5 nm时，比表面增至180 m2/g，粒径再 下降到2 nm时，比表面猛增至450 m2/g，这种 巨大的表面积亦为光催化的反应的进行提供了 有利条件。
4.2.3 超微粒的体效应
▪ 纳米颗粒体积小，所含的原子数目少，它的粒 径小于大块材料的空间电荷层的厚度，或者说 常规半导体材料界面的能带弯曲已退化至接近 平带状态。
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➢半导体价带的光激发
空气和溶液 中通常是氧
固体中的光激发和脱激过程
➢光生电子—空穴对的氧化还原机理
➢TiO2光催化主要反应步骤
H+VB
hv
TiO2
复 合
Байду номын сангаас
E-CB
价带空穴诱发氧化反应 捕获价带空穴生成 Titanol基团
导带电子诱发还原反应 捕获导带电子生成Ti3+
⑥
Ti
HO Ti
⑦
e-
① ②
➢TiO2光催化剂的催化机理
半导体的能带结构
半导体存在一系列的满带，最上面的满带成为价带 （valence band，VB）存在一系列的空带，最下面的空带称 为导带（conduction band，CB）；价带和导带之间为禁带。
当用能量等与或大于禁带宽度（Eg）的光照射时，半导 体价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相 应的空穴，这样就在半导体内部生成电子（e-）—空穴（h+） 对。
1 Si
2 ZnS
3
SnO2
H +/H 2
O 2/H 2O
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）
➢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)
h+
④
Ox-
Red+ →→→CO2,Cl,H+,H2O
③
⑤
Red
纳米TiO2光催化材料
主要内容
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 总结
纳米TiO2光催化剂简介
➢什么是多相光催化剂？
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）多相之间的一种光化学反应。
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。
纳米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，因此具有光催化氧化降解一些化合物
的能力，纳米TiO2具有优异的光催化活性，并且价格便宜，无毒无害等优点因此
导带
Ec Ed
Ev
价带
N型半导体的能级
导带
Ec
Ea Ev
价带
P型半导体的能级
P型半导体中电子转移示意图
C:\Documents and Settings\Administrator\桌 面\03_02_07_1.swf
N型半导体中电子转移示意图
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_08_1.Mpeg.swf
PN节
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_09_1.swf C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_09_2.swf
➢为什么要用纳米半导体光催化剂？（量子限域效应）
粒子半导体
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
➢ TiO2光催化材料的特性
优缺点
研究方向：TiO2改性，提高太阳能的转化率及光催化 效率
TiO2是当前最具有应用潜力的光催化剂
P型半导体（负电荷中心起提供电子的作用， 依靠空穴进行导电）
半导体的能带结构
导带
Eg＜ 3eV
禁带 价带
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 型半导体的缺陷能级Ed靠近导带，P型半导体的Ea靠近价带。
原子 轨道
N=1
分子 轨道
N=2
簇物
N=10
量子化 粒子
半导体
N=2000 N>>2000
LUMO
导
带
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
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
团簇（表面界面效应）
导带
///////////////////////////////////////
浅陷阱
E0
－
深陷阱
－
///////////////////////////////////////
价带 距离
－ －
非定域分子轨道
— 表面态 深陷阱
深陷阱 — 表面态
直径
非定域分子轨道
大的半导体粒子和微粒（分子簇）的空间电子状态
3.0
WO3
2.7
ZnS
3.7
SiC
3.0
Fe2O3
2.2
铁的氧化物会发生阴极光腐蚀
ZnO
3.2
TiO2(Anatase)
3.2
CdS
2.4
SnO2
3.8
CdSe
1.7
α-Fe2O3
3.1
金属硫化物在水溶液中不稳定， 会发生阳极光腐蚀，且有毒！
➢光催化技术的发展历史
➢TiO2光催化剂的优点
➢TiO2的结构与性质
rutile 4.22 Tetragonal 9.05 5.8 0.199
3
system
brookite 4.13 Rhombic system
➢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
锐钛矿相导带的电位更负， 光生电子还原能力更强
被广泛的应用。
纳米TiO2粉体
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。
半导体
本征半导体（纯的半导体，不含有任何杂质，禁带中不存在 半导体电子的状态,即缺陷能级)
掺杂半导体
N型半导体 （正电荷中心起提供电子的作用， 依靠自由电子进行导电）
TiO6
Ti
O
金红石型
锐钛矿型
TiO2晶型结构示意图
➢TiO2晶体的基本物性
Crystal Relative Type of structures density lattice
Lattice constant
ac
Lengths of Ti-O bond Eg/eV
/nm
anatase 3.84 Tetragonal 5.27 9.37 0.195 3.2 system