光催化与光电催化
压电势构建的内建电场增强光催化和光电催化
Chinese Journal of Catalysis 41 (2020) 534–549催化学报 2020年 第41卷 第4期 | a v a i l ab l e a t w w w.sc i e n c ed i re c t.c o mj o u r n a l h o m e p a g e : w w w.e l s e v i e r.c o m /l o c a t e /c h n j cReview (Special Column for the Youth Innovation Promotion Association, Chinese Academy of Sciences)Piezopotential augmented photo- and photoelectro-catalysis with a built-in electric fieldZhirong Liu a,c,†, Xin Yu b,†, Linlin Li a,c,d,*a Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, ChinabInstitute for Advanced Interdisciplinary Research (iAIR), University of Jinan, Jinan 250022, Shandong, China c School of Nanoscience and Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, Chinad Center on Nanoenergy Research, School of Physical Science and Technology, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, ChinaA R T I C L E I N F OA B S T R A C TArticle history:Received 27 September 2019 Accepted 10 November 2019 Published 5 April 2020Rapid technological development and population growth are responsible for a series of imminent environmental problems and an ineluctable energy crisis. The application of semiconductor nano-materials in photocatalysis or photoelectrocatalysis (PEC) for either the degradation of contami-nants in the environment or the generation of hydrogen as clean fuel is an effective approach to alleviate these problems. However, the efficiency of such processes remains suboptimal for real applications. Reasonable construction of a built-in electric field is considered to efficiently enhance carrier separation and reduce carrier recombination to improve catalytic performance. In the past decade, as a new method to enhance the built-in electric field, the piezoelectric effect from piezoe-lectric materials has been extensively studied. In this review, we provide an overview of the proper-ties of piezoelectric materials and the mechanisms of piezoelectricity and ferroelectricity for a built-in electric field. Then, piezoelectric and ferroelectric polarization regulated built-in electric fields that mediate catalysis are discussed. Furthermore, the applications of piezoelectric semicon-ductor materials are also highlighted, including degradation of pollutants, bacteria disinfection, water splitting for H 2 generation, and organic synthesis. We conclude by discussing the challenges in the field and the exciting opportunities to further improve piezo-catalytic efficiency.© 2020, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences.Published by Elsevier B.V. All rights reserved.Keywords: PhotocatalysisPhotoelectrocatalysis PiezopotentialBuilt-in electric field Piezo-phototronic effect Reactive oxygen species1. IntroductionWith rapid technological development and population growth, environmental problems and an energy crisis are im-minent [1,2]. Photocatalysis and photoelectrocatalysis (PEC), with the assistance of rationally designed catalysts, provide green and cost-effective ways to alleviate these problems. Theyhave been developed for the degradation of organic contami-nants in the environment, the catalysis of CO 2 reduction, H 2 evolution and biomass conversion for clean fuels, and catalysis of other reactions [3–7].Generally, semiconductors with appropriate energies and band gaps can absorb sunlight and form photogenerated elec-tron-hole pairs, which are then transferred to the photocata-* Corresponding author. Tel: +86-10-82854770; Fax: +86-10-82854800; E-mail: lilinlin@ † Zhirong Liu and Xin Yu contributed equally to this work.The work was supported by the Youth Innovation Promotion Association of the Chinese Academy of Sciences (2015023), National Natural Science Foundation of China (81471784, 51802115), Natural Science Foundation of Beijing (2172058), Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2018BEM010, ZR2019YQ21), Major Program of Shandong Province Natural Science Foundation (ZR2018ZC0843), and Scientific and Technology Project of University of Jinan (XKY1923).DOI: S1872-2067(19)63431-5 | /science/journal/18722067 | Chin. J. Catal., Vol. 41, No. 4, April 2020Zhirong Liu et al. / Chinese Journal of Catalysis 41 (2020) 534–549535lyst’s surface, where they trigger oxidative-reductive reactions [8–10]. Unfortunately, limited solar-light utilization and the high recombination rate of the photoinduced electron-hole pairs still hinder their further industrialization [11–13]. In the last few decades, researchers have fabricated many composite photocatalysts to extend the light absorption range from ultra-violet to visible and near infrared regions, such as graphitic carbon nitride (g-C3N4) [14,15], BiVO4 [16], Fe2O3 [17], Ag3PO4 [18], WO3[19], CdS [20,21], and Sn3O4[22,23]. Furthermore, various modification methods have also been developed to promote the separation of photogenerated electrons and holes, including surface modification [24], metal/nonmetal doping [25,26], and heterojunction construction [27,28]. Moreover, the bias voltage can assist in the directional transmission of elec-trons. Thus, PEC could further enhance carrier separation with the synergy of light illumination and bias voltage [29,30]. However, great challenge still remain for efficient charge sepa-ration to improve the performance of photocatalysis and PEC.Recently, there has been increasing interest in reasonable construction of a built-in electric field by the piezoelectric and piezo-phototronic effects to efficiently enhance carrier separa-tion [31,32]. Piezoelectrics (including ferroelectrics, piezoelec-tric semiconductors, etc.) are a class of materials with noncen-trosymmetric crystal structures [33,34]. Their positive and negative charge centers can be separated under mechanical deformation or an external electric field, which results in the generation of a piezoelectric potential (piezopotential) [35,36]. The piezopotential can modulate the charge carriers at the interface of metal–semiconductor contacts and semiconductor heterojunctions. In the past decade, piezoelectrics have been widely used to regulate the performance of piezoelectric semi-conductor devices, such as transistors [37], solar cells [38], light-emitting diodes (LED) [39,40], and self-powered nanosystems [41]. In photocatalysis and PEC, strained piezoe-lectric semiconductors and ferroelectric materials with per-manent polarization show great promise in enhancing carrier separation and reducing carrier recombination via a built-in electric field [42,43].This review summarizes recent advances in piezocatalysis (including photocatalysis and PEC) enabled and augmented by piezoelectric semiconductors and ferroelectric materials. First, the properties of piezoelectric and ferroelectric materials and the construction mechanism of a built-in electric field for carri-er separation are introduced. Second, the methods used to generate a built-in electric field with a piezopotential are dis-cussed, including ultrasonic waves, mechanical brush-ing/sliding, thermal stress, water flows, and permanent polari-zation of ferroelectricity. Then, potential applications such as the degradation of pollutants, bacterial disinfection, water splitting for H2 evolution, and organic synthesis are elucidated. Finally, the challenges in the field and the scope for future de-velopment of piezo-catalysis are discussed.2. Mechanism of piezopotential assisted catalysisFundamentally, the selected polarized material is the key to proper construction of built-in electric fields. It is therefore essential to understand the properties of piezoelectricity and ferroelectricity, and the mechanism through which they cause interface band bending.2.1. Piezoelectricity and ferroelectricityPiezoelectric materials are a class of dielectric materials with non-centrosymmetric crystal structures, including piezo-electric semiconductors (such as ZnO [41], MoS2 [44], MoSe2 [45]), all ferroelectric materials (such as BaTiO3[46], BiOIO3 [47] polyvinylidene fluoride (PVDF) [48], PbTiO3[49]), and other piezoelectric crystals (such as quartz) (Fig. 1(a)). In this review, we lay emphasis on ferroelectric materials and piezoe-lectric semiconductors that can enhance catalysis.Different from ferroelectric materials, piezoelectric materi-als (green color in Fig. 1(a)) show no polarization without an applied strain (Fig. 1(b)). Taking wurtzite-structured ZnO as an example [50], the positive Zn2+and negative O2‒are tetrahe-drally coordinated, and in the absence of an external force, the centers of the anions and cations overlap. Thus, there is no piezopotential in the crystal. When the crystal is under a tensile or compressive stress, the Zn and O atoms are relatively dis-placed from their original position. As a result, the centers of the positive and negative charges move to the opposite faces of the tetrahedron crystal, generating a piezopotential. As shown in Fig. 1(b), the tensile and compressive stresses produce a polarized electric field with an opposite direction [51]. Driven by the polarized electric field, photo-generated electrons and holes move towards opposite directions and are separated effectively. As a result, a great number of charge carriers that can take part in redox reactions reach the surface of the cata-lysts [52].Different from piezoelectric semiconductors that generate polarized electric field by strain, ferroelectric materials can generate permanent built-in electric fields even without strain (Fig. 1(c)) [53], which is the operational advantage of ferroe-lectric applications. The applied external electric field or me-chanical deformation can induce polarization of the dipole and further adjust the polarized electric field [31,54]. However, the insulating properties of traditional ferroelectric materials make them unsuitable for carrier transport. Nanoscaled ferroelectrics do not have this limitation. The lower limit of ferroelectric ma-terials to show ferroelectricity is about a few nanometers [55]. For example, the currently known critical thickness of barium titanate (BaTiO3) with ferroelectricity is 2.4 nm under ambient conditions. However, the thickness of BaTiO3 film for chargetunneling should be lower than 30 nm [56,57]. Therefore, Ba-Fig. 1.Piezoelectricity and ferroelectricity. (a) Piezoelectric materials contain ferroelectric materials. (b) Piezoelectric semiconductors in the absence of strain (left), under tensile (middle) and compressive (right) stress. (c) Ferroelectric materials without strain.536 Zhirong Liu et al. / Chinese Journal of Catalysis 41 (2020) 534–549TiO 3 with a thickness between 2.4–30 nm is capable of modu-lating charges and is suitable for piezocatalysis. For different piezoelectric nanomaterials, the size/thickness window would be different. From another perspective, the surface oxygen defects and foreign ion doping in nanoscaled BaTiO 3 could transform it from an insulator into a semiconductor with wide-band gap [58]. Thus, when a ferroelectric material with a suitable thickness is appropriately introduced at the interface of heterojunctions, its electrical modulation capability enables redistribution of the free photogenerated electron-hole pairs, improves the separation efficiency of carriers, and subse-quently affects the performance of photocatalysis and PEC. 2.2. Generation of a built-in electric fieldThe photo- and photoelectro-catalytic activity of materials islimited by the recombination of photogenerated electron-hole pairs and the back-reaction of intermediate species [59,60]. A feasible way to enhance photocatalysis is to promote separa-tion and inhibit recombination of the electron-hole pairs. For semiconductor photocatalysts, surface adsorption and foreign atom or surface imperfections (e.g., defects, steps, and impuri-ties) can produce surface states, which are known as extrinsic surface states [61,62]. The presence of these surface states would cause charge transfer between the surface of the semi-conductor catalyst and the bulk phase, thereby forming a space charge layer [63]. After the charge transfer reaches an equilib-rium, the valence band or conduction band of the space charge layer of the semiconductor would bend to form a band bending. The internal electric field generated by ferroelectric polariza-tion, p-n junctions, polar interfaces, and polymorph junctions can change the interface band bending and provide a driving force that promotes the separation of photogenerated carriers [64]. This review focuses on the polarization field built by pie-zoelectric and ferroelectric materials to promote carrier sepa-ration (Fig. 2). Although the built-in electric field could promote carrier separation, it is fixed and easy saturate; therefore, its ability to promote photocatalysis is still limited [65,66]. Regen-erating the built-in electric field in the photocatalytic process and realizing long-term separation of photogenerated carriers is the key to increasing the performance of the built-in electricfield enhanced photocatalysis and realizing photocatalyst recy-cling.3. Built-in electric field mediated catalysisAs discussed above, a built-in electric field can enhance the separation efficiency of photogenerated electron-hole pairs and subsequently improve the performance of photo- and photoe-lectro-catalysis. In this section, the specific methods that could be used to construct a built-in electric field with a piezo poten-tial, including ultrasonic irradiation, mechanical brush-ing/sliding, thermal stress, water flows, and permanent polari-zation of ferroelectricity are discussed. 3.1. Piezopotential mediated catalysis3.1.1. Methods used to exert a mechanical stressDeformation is an essential requirement for the generation of an internal electric field in piezoelectric semiconductors [67]. To control the strain of piezoelectric semiconductors ac-curately, Wang ’s group [68,69] attached a ZnO-based PEC an-ode to a polymethyl methacrylate (PMMA) cantilever. A speed-controlled motor was employed to drive the dynamic and static bending of the PMMA cantilever (Fig. 3(a)). The dis-tance between the shaft of the motor and the cantilever was adjusted to produce a series of strains. Therefore, the strain on ZnO could be regulated precisely and calculated by the tradi-tional cantilever model. Xue et al. [70] vertically grew ZnO NWs on carbon fibers (CFs) and bundled several ZnO/CFs together. When ZnO/CFs were subjected to mechanical brushing/sliding under an external force, ZnO NWs extruded outward and pro-duced a piezopotential across their width (Fig. 3(b)).An ultrasonic wave is a sound wave with a frequency higher than 20,000 Hz. It has good directionality, strong penetration, and long propagation distance in water. Ultrasound waves are commonly used to generate mechanical forces in piezocatalysis [71,72]. Besides the acoustic pressure effect, the ultrasonic cavitation effect is also a major driving force that causes de-formation of piezoelectric semiconductors [73]. When the sound pressure reaches a certain value, the tiny bubble nuclei in the liquid expands rapidly and then suddenly close to gener-ate a shock wave. Ultrasonic cavitation includes a series of dy-namic processes, such as expansion, closure, and oscillation. Pan et al. [74] first captured the cavitation bubble growth and collapse, and generation of microjets with a high-speed camera (Fig. 3(c) and (d)). Furthermore, the frequency of an ultrasonic wave is high and can easily be adjusted by ultrasonic transduc-ers, which could periodically turn on/off the built-in field to prevent it from being weakened or even degraded by photo-generated carriers [31].Interestingly, the internal strain induced by thermal stress was employed to modulate compression of ZnO monocrystal-line nanoplatelets [75]. Owing to the mismatched expansion coefficients of ZnO and TiO 2, anisotropic strain was generated in ZnO/TiO 2 hybrid photocatalysts by sintering and cooling (Fig. 3(e)). Different cooling processes (natural cooling in themuffle furnace and rapid cooling in air, ice, and liquid nitrogen)Fig. 2. Scheme of the photogenerated charge carrier separation en-hanced by the built-in electric field.Zhirong Liu et al. / Chinese Journal of Catalysis 41 (2020) 534–549 537resulted in different magnitudes of compressive strains along the c-axis direction of ZnO and further produced different pie-zoelectric potentials. The ZnO/TiO 2 hybrid photocatalysts cooled at a higher rate had a stronger photocatalytic activity because the residual strain and piezoelectric potential of the sample increased.There are many ways to induce deformation of piezoelectric semiconductors, but most of them need to be deliberately de-signed to generate a deformation force, which can control the strain accurately but limit the practical application of the sem-iconductor. To better utilize the mechanical energy in the nat-ural environment, Chen et al. [76] used water flow to generate stress on ZnO nanorod arrays vertically grown on a three-dimensional Ni foam. When water flowed through the Ni foam, there were some small water turbulences on the inner surface of the foam structure. Meanwhile, the ZnO nanorods on the Ni foam were also subjected to a mechanical force so that deformation could be generated (Fig. 3(f)). As the stirring rate increased, the deformation of the ZnO nanorods increased, resulting in a stronger built-in electric field to promote carrier separation. On the other hand, a 3D foam structure was more effective in reactant diffusion and photocharge migration, thereby enhancing photocatalytic activity. In addition, the heli-cal structure was also used to improve deformation in piezoe-lectric semiconductors [52]. A helical fiber is a typical and in-triguing structure in life and nature. Owing to their extraordi-nary flexibilities, elasticities, and scalabilities, helical microfi-bers can produce a larger deformation than straight microfi-bers in simple harmonic vibration systems. By combining avisible-light responsive photocatalyst, g-C 3N 4, with a main-stream organic piezoelectric PVDF, a self-healing internal elec-tric field was constructed for sustainably enhanced photocatal-ysis (Figs. 3(g) and 3(h)). Reasonable structure design and morphology of a photocatalyst enables it to comprehensively utilize solar energy and mechanical energy in nature, such as wind energy, water flow, tidal energy, etc., which is in line with sustainable development strategies [77].3.1.2. Catalysts with piezoelectric effectsThe most widely used method for constructing a piezoelec-tric catalytic system is using the piezopotential of piezoelectric semiconductors to separate photo-induced carriers generated by photocatalysts [78]. For example, various semiconductor photocatalysts (TiO 2, BiOI, and CdS) were hybridized on a soft porous piezoelectric polymeric film rGO-F/PVDF-HFP (4-azidotetrafluorobenzoic acid-modified gra-phene/polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (Fig. 4(a)) [79]. TiO 2, BiOI, and CdS are representative of classical UV-active catalysts, visible-light-active photocatalysts, and H 2 evolution catalysts, respectively, which can generate elec-tron-hole pairs under light illumination in a specific wavelength range. Furthermore, a rGO-F/PVDF-HFP piezoelectric film can harvest gentle mechanical disturbances in typical catalytic set-tings to form a piezoelectric field. This electric field enhanced photocatalytic performances of TiO 2, BiOI, and CdS by 300%, 21%, and 400%, respectively (Fig. 4(b)‒(d)). Dai et al. [52] combined visible-light responsive g-C 3N 4 with a helical organicpiezoelectric PVDF to construct a self-healing internal electricFig. 3. Methods used to exert a mechanical stress. (a) Schematic setup of the ZnO-based piezoelectric PEC half-cell for precise control of induced strain [68]. Reproduced with permission [68]. Copyright 2011, American Chemical Society. (b) Schematic images of the woven ZnO NWs/CFs and mechani-cal brushing/sliding under an external force [70]. Reproduced with permission [70]. Copyright 2015, Elsevier. (c) Cavitation clusters consisting of numerous cavitation bubbles in water captured by a high-speed camera. (d) Growth and collapse of cavitation bubbles in the presence of porphy-rin-like metal centers (PMCS) and ultrasonic waves [74]. Reproduced with permission [74]. Copyright 2018, Wiley. (e) Schematic demonstration of a ZnO/TiO 2 hybrid without (top) and with strain (bottom left) and it’s piezopotential distributions under an axial pressure of 10 MPa (bottom right) [75]. Reproduced with permission [75]. Copyright 2016, American Chemical Society. (f) Schematic image of ZnO nanorod deformation under water flow [76]. Reproduced with permission [76]. Copyright 2017, Elsevier. (g) Optical microphotograph of a PVDF/g-C 3N 4 helical microfiber. (h) Digital photograph of a PVDF/g-C 3N 4 helical microfiber before and after being drawn by a paper clip (about 4 mN) [52]. Reproduced with permission [52].Copyright 2019, Wiley.538 Zhirong Liu et al. / Chinese Journal of Catalysis 41 (2020) 534–549field for sustainably enhanced photocatalysis. The photovoltage of PVDF/g-C 3N 4 after deformation was 1.7 mV, fourfold higher than that before the film was deformed (Fig. 4(e)), which im-plied that the deformation of the PVDF/g-C 3N 4 film was condu-cive to the separation and propagation of photogenerated car-riers. The photocatalytic performance was enhanced signifi-cantly when microfibers experienced simple harmonic vibra-tion. Importantly, the piezoelectric field caused by deformation could be saturated within about 10 min under persistent pulse laser irradiation (Fig. 4(f)) and refreshed after the film was deformed again. Therefore, periodic deformation or a self-healing structure is important for continuous generation of built-in electric fields in piezoelectric semiconductors. When a strain was applied on the PVDF fiber, the resulting piezopoten-tial bent the energy band of C 3N 4, and then the generated built-in electric field promoted the separation of photoinduced electron and hole pairs. However, this electric field could be easily saturated by photoinduced carries and outer charged ions, halting the enhancement of photocatalysis. To overcome this problem, in this self-healing piezoelectric catalytic system, an opposite potential was generated via deformation again to repel nearby holes and attract electrons (Fig. 4(g)). The self-healing behavior could sustainably inhibit the recombina-tion of photogenerated carriers and significantly enhance the piezocatalytic effect.Tan et al. [80] constructed a self-biased hybrid piezoelec-tric-photoelectrochemical cell with photocatalytic functionali-ties. ZnO nanorods (NRs) were grown on Ag or Cu nanowires (NWs) via a galvanic displacement deposition method (Fig. 4(h)). Then, Ag-ZnO (AZ) and Cu-ZnO (CZ) were sulfurized to form a core-shell structure Ag/Ag 2S-ZnO/ZnS (ASZS) and Cu/CuS-ZnO/ZnS (CSZS). The lattice spacing of the core and shell was 0.26 and 0.31 nm, matching well with the (002) of ZnO and (111) planes of ZnS, respectively (Fig. 4(i)). By hy-bridizing the wide bandgap materials (ZnO and ZnS) with the narrow bandgap materials (Ag 2S or CuS), a composite withaFig. 4. Catalysts with a piezoelectric effect. (a) Schematic illustration of the design concept of the hybrid piezophotocatalyst. The process includes the mounting of semiconductor catalysts onto a self-powered energy cushion, which was a composite film of rGO-F/PVDF-HFP. (b) Photocatalytic degra-dation of MO catalyzed by TiO 2@rGO-F/PVDF-HFP under UV light. (c) Absorbance of MO catalyzed by BiOI@rGO-F/PVDF-HFP after 24 h under am-bient light. (d) Photocatalytic H 2 evolution rate of CdS@rGO-F/PVDF-HFP under visible light [79]. Reproduced with permission [79]. Copyright 2018,Elsevier. (e) Transient photovoltages of PVDF/g-C 3N 4 composite films on a logarithmic timescale under 355 nm pulse laser irradiation in the absence (A-D) and presence (P-D) of film deformation, respectively. (f) Variation in the transient photovoltages of the PVDF/g-C 3N 4 film with plus laser illu-mination and deformation. P-D&I-4, P-D&I-8, P-D&I-12, and P-D&I-16 stand for the transient photovoltages detected in the presence of film defor-mation and pulse laser irradiation for 4, 8, 12, and 16 min, respectively. S-D presents the transient photovoltage characterized after the film was de-formed again. (g) Diagram showing the process by which the piezoelectric potential in a PVDF/g-C 3N 4 composite helical microfiber is saturated and self-renewed, and the corresponding carrier transfer behavior [52]. Reproduced with permission [52]. Copyright 2019, Wiley. (h) Scanning electron microscope (SEM) image of AZ. (i) High resolution transmission electron microscope (HRTEM) image of ASZS. (j) Schematic illustration of a self-bias hybrid system via a bias link with the corresponding enhanced (k) photocurrent measurement [80]. Reproduced with permission [80]. Copyright 2015, American Chemical Society.Zhirong Liu et al. / Chinese Journal of Catalysis 41 (2020) 534–549 539low bandgap and increased sensitivity to visible light was fab-ricated. Owing to the piezoelectricity of ZnO, a piezoelectric charge would be generated in the hybrid battery under an ul-trasonic wave, and the charge transfer occurred between the Ag NWs electrode and the Pt counter electrode of the PEC bat-tery. This created a voltage bias that improved the photocur-rent density from 8 to 22 mA m −2. When the Ag NWs electrode of the hybrid battery was disconnected from the Pt counter electrode (Fig. 4(j)), the photocurrent decreased (Fig. 4(k)), indicating that the self-bias from the piezopotential had a sig-nificant effect on the photocurrent. This could pave the way for a new generation of self-powered photocatalytic devices for solving environmental and energy crises.3.1.3. Catalysts with a piezophototronic effectWang and co-workers [41] first proposed the concept of the piezophototronic effect in 2010. Piezoelectric semiconductors, such as wurtzite structure ZnO, GaN, InN, and CdS [81], have coupling properties of piezoelectricity, semiconductor charge transport, and light excitation, providing a new fundamental piezo-photocatalytic mechanism to modulate the separation of photogenerated carriers. The piezoelectric optoelectronic effect utilizes the piezopotential to regulate the generation, separa-tion, transport, and recombination processes of interface or junction carriers (Fig. 5), which drive the development of high-performance optoelectronic devices [82]. Wurtzite zinc oxide (ZnO) is a representative piezoelectric semiconductors. The bandgap of ZnO is ~3.37 eV, which is favorable for gener-ating electron-hole pairs under UV light irradiation. In addition, it has high piezoelectric coefficients (10–30 pm V −1 for d 33 and about 5 pm V −1 for d 31) [83]. Through the simple seed-assisted hydrothermal method, single crystal ZnO NWs can grow on substrates of different materials and shapes [70,76], providing significant cost and process advantages for potential industrial applications.Xue et al. [70] synthesized ZnO NWs on carbon fibers (CFs) (Fig. 6(a)) and co-used photonic and mechanical energy for the degradation of organic dyes by coupling the piezoelectric and photocatalytic properties of ZnO NWs. The piezoelectric effect of ZnO NWs/CFs was measured based on the mechanism of a fiber nanogenerator. When the experimental vibration distance was about 1 cm, the open-circuit voltage and short-circuit cur-rent were about 20 mV and 0.5 nA, respectively. When ZnONWs were exposed to UV light, photogenerated electron-hole pairs were generated. At the same time, a periodic force was applied to ZnO NWs/CFs, causing relative sliding between ad-jacent ZnO NWs and bending of the NWs. Therefore, a piezoe-lectric field was formed across their widths, which drove the migration of photo-generated electrons to the positive poten-tial side (stretching side) and holes to the negative potential side (compressed side) (Fig. 6(b)). It increased the separation efficiency of photogenerated electron and holes. More carriers could migrate to the surface, form free radicals, and degrade methylene blue (MB) in an aqueous solution. Moreover, the photodegradation profiles of the MB solution catalyzed by ZnO NWs/CFs increased with increasing frequency of the applied force from 0 to 1 Hz owing to a higher input power (Fig. 6(c)). Similarly, a nanocomposite with ZnO nanorod arrays grown vertically on the 3D Ni foam was synthesized to photocatalyti-cally degrade rhodamine B (RhB) [76]. The photocurrent at a stirring rate of 500 rpm was higher than that obtained under static condition (0 rpm). As the stirring rate was increased to 1000 rpm, the photocurrent density also further increased. This was because the water flow velocity increased as the stir-ring rate increased. Therefore, the ZnO nanorods on the surface of the Ni foam experienced an enhanced deformation degree, inducing an enhanced piezoelectric field. The increased piezo-electric field can promote the separation of photogenerated electron and holes. Therefore, the ZnO nanorod arrays/Ni foam showed an increasing photocurrent as the stirring rate in-creased. Mushtaq et al. [84] fabricated single-crystalline BiFeO 3 NWs (BFO NWs, Fig. 6(d)) that can successfully utilize visible light and mechanical vibrations to degrade organic pollutants. Fig. 6(e) shows that BFO NWs exhibited strong absorption in the UV and visible regions, and the bandgap of BFO NWs was 2.1 eV. The piezoelectricity of a single BFO NW was directly probed using a piezoresponse force microscopy (PFM). From the PFM phase images (Fig. 6(f)), a clear phase contrast be-tween different regions of the NW could be observed, which represented the domains with opposite out-of-plane polariza-tion orientations. The amplitude image shows the presence of distinct and randomly distributed ferroelectric domains. From the phase loop presented, it could be clearly observed that the polarization can be switched to the opposite direction by sweeping the tip bias, and the average phase contrast is close to 180°. The amplitude of the response signal in PFM was directly related to the local strain of the BFO nanostructures. This am-plitude versus bias voltage curve was also hysteretic, and its shape resembled a butterfly loop. These results confirmed the ferroelectric nature of BFO NW. When sunlight and an ultra-sound wave were used simultaneously, 97% of the RhB dye was degraded within 1 h.The piezoelectric semiconductor ZnO was also used to tune PEC water splitting. The PEC anode was a ZnO thin film depos-ited on the ITO electrode [68]. The prepared ZnO thin film had a resistivity of about 107 Ω·cm, which had reasonable charge conductance for water oxidation under illumination and could generate a high piezopotential when deformed. Under a 1.5 V bias and 100 mW cm −2 light intensity, the photocurrent density (J ph) increased by 10.2% or decreased by 8.5% when the ZnOFig. 5. Scheme of the piezophototronic effect. Coupling among piezoe-lectric, optical, and semiconducting properties in piezoelectric semi-conductor materials is the basis of piezo-phototronics.。
电催化及光催化介绍
• 水存在对CO吸附状态几乎无本质上影响。
电催化及光催化介绍
第26页
• 水分子在电极上吸附是个普遍感兴趣问题， （大多数电极反应是在水溶液中进行） 。
• 电极／水溶液界面双电层电性质 ，尤其是 界面微分容量和电极表面水分子吸附状态 有亲密关系 。大家已提出了水分子吸附状 态各种模型 。关键是表面吸附水分子是呈 单分子 、双分子 ，还是和氢结合程度不一 样簇。
波而在大约1.4V处表面变成了氧化物 。反 向扫描时 ，在0.7V还原电流下出现Pt原子
被重新还原峰 。这么进行一次氧化-还原 ， 氧吸收波形发生了很大改变 。 图示其它峰
形都有类似结果。
•
这是因表面原子排布不一样而显示出
固有特征。
•
图4-6为经5次电位(1.5V-0.05V)循环
Pt(111)面STM像。
之间过渡状态 ， 即所谓“平板电位
（flatband potential） ”
•
电子传递 ， 既可在速度控制步骤能垒
主要位于Helmholz双电荷层中时发生，也
能够在空间电荷层能垒中时发生 。转
• 例：放氢反应
• 未经修飾半导体表面需有较高超电压 ，
对GaAs，GaP，主要取决于Schottky能垒
电催化及光催化介绍
第18页
• 图4-5 白金以及铱单晶基础低指数晶面(1l0)循环伏安图 • (O.5mol／L H2SO4 ， 25℃ , 50mV／s)
电催化及光催化介绍
第19页
•
可见 ，各种晶面脱氢波 、吸氧波都显
著不一样 。 比如：Pt(111)面在硫酸水溶液
中 ，在0～0.5V范围内 ， 出现了异常氢吸收
电催化及光催化介绍
半导体光催化
半导体光催化半导体光催化是21世纪初发展起来的一种新型能源技术，它利用太阳能，将有机物、无机物或污染物通过吸收，分解并转化为无害物质的反应过程，实现清洁能源的利用。
半导体光催化的作用原理可以用布朗迁移来理解，即由半导体中的电子-空穴对吸收光子，形成电子-空穴对而引起的电荷转移。
然后，半导体中的电子和空穴可以在光生自由基上进行氧化还原反应，从而分解污染物并将其转化为无害物质，实现污染物消减。
半导体光催化的受体物中含有多种元素，其中，高价金属元素具有强烈的光吸收能力，同时也具有良好的光催化性能，能够有效地催化有机物的氧化和还原反应，从而促进污染物的光降解。
此外，CdSe 材料由其具有低带隙、强烈的吸收带、良好的稳定性和抗氧化性能而被广泛应用于光催化，在提高反应速率和降低光催化反应热量方面有明显的优势。
半导体光催化技术主要有两种，即光电催化和光化学催化。
光电催化是一种利用半导体材料作为催化剂，将紫外光转换成电子，用电子来催化污染物的氧化和还原反应，从而实现污染物的消减。
而光化学催化，则是一种利用半导体材料作为催化剂，将可见光转换成自由基，通过光生自由基来催化污染物的氧化还原反应，从而实现污染物的消减。
半导体光催化技术在污染物的处理中具有显著的效果，它可以大大提高处理效率，并有效降低污染源的处理成本，为污染源的处理提供一种安全、有效、经济的技术手段。
然而，由于半导体催化剂结构的复杂性和原料成本的高昂，以及光催化技术本身存在的局限性，使得半导体光催化技术的应用受到了一定的限制。
因此，为了进一步提高半导体光催化技术的应用效果，我们需要开展多种研究，如开发新型的催化剂，改善半导体光催化剂的反应机理，提高催化性能，探索多种可行的光催化反应工艺，以及研究新型光催化技术。
此外，要加强对半导体光催化技术的实验研究，确保技术的可靠性和可靠性，为解决污染物的处理提供一种安全可行的技术手段。
总之，半导体光催化技术是一种有效的污染物处理技术，可以为污染物的处理提供一种安全有效的技术手段；但是，由于各种技术的局限性，也需要进一步的研究，以进一步提高降解污染物的效率和可靠性。
光催化与光电催化
光催化与光电催化
光催化与光电催化都是通过光照下催化剂对化学物质进行反应的方法，但其具体机理和应用有所不同。
光催化是指通过光照下催化剂促进化学反应的方法，此时光的能量被吸收后转化为催化活性位点的能量，使得反应物在较低的温度和压力下发生化学反应。
光催化广泛应用于环境保护、水处理、空气净化、有机合成等领域。
光催化反应的典型例子是可见光下二氧化钛催化氧化有机物。
在此反应中，二氧化钛表面吸收光能后，经历一系列复杂的物理化学过程，生成具有氧化性的电子空穴对，这些电子空穴对可以将水分子氧化为具有氧化性的自由基，从而促进有机物的氧化反应。
相比之下，光电催化则是光电转换和光化学反应相结合的过程。
在此过程中，外加电场和有机化合物的光催化剂共同作用，将光能转换为电能和化学能，实现光电催化反应。
光电催化的应用非常广泛，涵盖了太阳能电池、光电催化分解水为氢气、光电阴极、光电催化二氧化碳还原等多个领域。
光电催化反应时间短、效率高，能够在不需要外界供应的条件下实现化学反应，有望成为一种能源的替代技术。
总之，光催化和光电催化分别是光化学反应和光电转换与光化学反应的两种光化学反应形式，其在环境净化、能源转化和有机合成等领域都有广泛的应用前景。
光电催化
光电催化在气体污染物处理中的应用
二氧化钛半导体是一种得到广泛应用的光催化材料， 由于高效、无二次污染等优良特性，利用其进行催化 氧化降解空气中有机污染物的多相光催化过程已日益 受到人们重视.但是，光催化中光生空穴一电子对的 简单复合将造成降解效率低，成为制约光催化应用的 关键.潘湛昌等提出用光电催化氧化降解气相有机污 染物以降低光生空穴与电子的复合率。 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。
光电催化处理污染物研究 进展
姓名：周光红 学号：20818095
主要内容：
光电催化的原理 光电催化的影响因素 光电催化的应用 存在的问题 光电催化处理污染物的展望
光电催化原理
光催化的原理 必要条件:
光——吸收光或紫外光 催化剂 ——TiO2以其活性高、化学稳定性好、低 廉无毒、持续性长、反应条件温和、降解速度快、 催化效率高及具有超亲水性等特点倍受人们青睐， 成为当前最有应用 潜力的一种光催化剂，在半导2光电催化在环境保护方面的应用
光电催化是在开发利用太阳能的光电化学电池的 过程中迅速发展起来的。 1972年,A. Fujishima和K.Honda在n型半导体TiO2 电极上发现了水的光电催化分解作用,从此开始了 多相催化研究的新纪元。光电催化的前期研究大 多限于太阳能的转换和储存(光解水制氢)。 20世纪80年代以来,TiO2多相光催化在环境保护领 域内对水和气相有机、无机污染物的去除方面取 得了较大进展。 长期的研究表明,光催化方法能将多种有机污染物 彻底矿化去除,为各种有机污染物和还原性的无机 污染物,特别是生物难降解的有毒有害物质的去除, 提供了一种被认为是极具前途的环境污染深度净 化技术。
光电催化的机理与应用研究
光电催化的机理与应用研究光电催化是一种新兴的技术，它通过光电化学反应，在固体表面催化化学反应。
目前，光电催化技术被广泛运用于水处理、空气净化、能源利用等领域，成为环境治理与能源开发的重要手段。
本文将介绍光电催化的机理和应用现状，并展望其未来发展方向。
1. 光电催化的机理光电催化反应的本质是光电化学反应，具体来说，由于半导体表面的光敏化和电化学耦合效应的作用，光激发后导致电子和空穴的产生并分界运动，间接地引起了化学反应。
半导体表面的光敏体系与染料分子的敏化机理类似，表面吸附染料后，染料分子发生电子转移，将电子注入到半导体导带中。
在外加电势的作用下，半导体表面反应区域与溶液中的电子接触，利用电化学耦合效应引发进一步的电子转移反应。
这样，光电子和电子/空穴产生的转移和再结合，带出电荷平衡器械，促进吸附物吸附或反应的物质，使得光电催化反应得以进行。
2. 光电催化的应用2.1. 水处理领域光电催化技术在水处理领域的应用已经受到广泛的关注。
在水处理过程中，光电催化技术可以通过催化氧化、还原、光催化分解等反应对水中的有机物、无机物及有害化合物等进行有效的处理。
例如，环境中常见的致病菌、有机污染物、重金属离子等有害物质都可以通过光电催化技术进行去除。
2.2. 空气净化领域空气污染已经成为城市生态治理的重要问题之一。
目前，通过光电催化技术，可以将有机污染物和其他不良气体转化为无害物质，实现对空气的高效净化。
2.3. 能源开发领域光电催化技术在太阳能转化以及储能领域也有着广泛的应用。
例如，在太阳能电池领域，光电催化技术可以通过改变太阳能转换的吸收波长，提高太阳能电池的效率。
此外，在储能领域，光电催化技术也可以通过催化类似于储能材料的一些化合物，在光照下吸收、解离氢气、产生电子，并在夜间释放出储能的能量等。
3. 光电催化技术的发展趋势随着技术的发展，光电催化技术在新能源、环境保护、材料科学等领域的应用将会越来越广泛。
光电效应与光催化
光电效应与光催化我们处在一个光线的世界中，而光电效应和光催化作为光学中的两个重要概念，有着重要的理论和实践应用。
本文将探讨光电效应和光催化，并从物理学角度分析其原理与应用。
## 光电效应光电效应，简而言之，是指当光照射到金属表面时，金属表面的电子受到光的激发而被释放出来。
这一现象早在19世纪末由德国物理学家汉斯·海因里希·赫兹发现，并由此获得了1905年诺贝尔物理学奖。
光电效应的原理是基于光子的粒子性，即光子携带着能量，当它照射到金属表面时，能量被转移给电子，从而使得电子获得足够的动能逃逸出金属。
光电效应的理论较为复杂，其中波粒二象性的考量是其中的关键。
从粒子性的角度看，光电效应的光子与金属表面的电子碰撞，能量传递给电子，使其离开原子结构。
而从波动性的角度看，光子的波长与电子的工作函数之间存在临界值，只有光子的波长足够短，能量足够大时，光电效应才能发生。
光电效应在实际应用中有着广泛的用途。
光电效应的研究为我们提供了光电二极管、太阳能电池等重要技术基础。
光电二极管利用光电效应原理，将光能转化为电能，广泛应用于光通信、光测量等领域。
太阳能电池则是光电效应的重要应用之一，利用光能将太阳光转化为电能，为可再生能源的发展做出了重要贡献。
## 光催化光催化是一种将光能作用于化学反应中的技术，通过光照射激发催化材料，从而促进化学反应的进行。
与传统催化相比，光催化可以在较温和的条件下实现化学反应，避免了许多高温高压的工艺，对环境更加友好。
光催化的本质是利用光能提供足够的能量，激发催化剂上的电子，形成活性物种。
这些活性物种可以与溶液中的物质发生反应，从而实现催化效应。
光催化的应用十分广泛，其中最具代表性的应用之一是光催化水分解产生氢气。
通过选择合适的光催化剂和光源，可以实现水的光解反应，产生氧气和氢气。
这一技术有望成为未来清洁能源的重要来源。
除了水的分解，光催化还可以应用于有机物降解、空气净化等领域。
太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径
太阳能分解水制氢最近进展：光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径李仁贵【期刊名称】《催化学报》【年(卷),期】2017(038)001【摘要】能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO4和Ta3N5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta3N5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.%Hydrogen production via solar water splitting is regarded as one of the most promising ways to utilize solar energy and has attracted more and more attention. Great progress has been made on photocatalytic water splitting for hydrogen production in the past few years. This review summa-rizes the very recent progress (mainly in the last 2–3 years) on three major types of solar hydrogen production systems: particulate photocatalysis (PC) systems, photoelectrochemical (PEC) systems, and photovoltaic-photoelectrochemical (PV-PEC) hybrid systems. The solar-to-hydrogen (STH) conversion efficiency of PC systems has recently exceeded 1.0% using a SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo photocatalyst, 2.5% for PEC watersplitting on a tantalum nitride photoanode, and reached 22.4% for PV-PEC water splitting using a multi-junction GaInP/GaAs/Ge cell and Ni electrode hybrid sys-tem. The advantages and disadvantages of these systems for hydrogen production via solar water splitting, especially for their potential demonstration and application in the future, are briefly de-scribed and discussed. Finally, the challenges and opportunities for solar water splitting solutions are also forecasted.【总页数】8页(P5-12)【作者】李仁贵【作者单位】中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连116023;中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室, 辽宁大连116023【正文语种】中文【相关文献】1.太阳能制氢取得突破性进展光催化效率首达2.5％,空穴储存层概念提供光电催化新思路 [J], 陶加2.太阳能光电催化分解水制氢研究新进展 [J],3.中科院太阳能光电催化分解水制氢研究获进展 [J], 能源4.高效绿色硫化氢转化制氢技术太阳能光电催化-化学耦合分解硫化氢制氢研究获突破 [J],5.大连化物所太阳能光电催化分解水制氢研究获进展 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
光催化,电催化,光电催化应用实例
光催化,电催化,光电催化应用实例光催化、电催化和光电催化是当前研究的热点领域，有着广泛的应用。
以下是几个典型应用实例的介绍。
一、光催化1. 水资源处理有研究表明，光催化反应可用于水资源处理领域，如污水净化、水中化学浓度的降解等。
光照下的催化剂可使污染物分解为水和二氧化碳等有机物，实现水资源的净化。
2. 空气净化重金属、有机物和二氧化氮等空气污染物是近年来城市空气质量的主要问题，采用光催化可以将这些污染物转化为无害物质。
光催化空气净化器已经在日本、美国等发达国家得到广泛应用。
3. 有机合成光催化在有机合成中也有广泛应用。
研究表明，光催化的反应速度较快，且能够实现多组分体系中分子的选择性反应。
光催化反应在合成高附加值有机物中具有较大的应用潜力，如生物碱、有机合成材料等。
二、电催化1. 燃料电池燃料电池是将化学能转化为电能的高效技术，可用于汽车、无人机等领域。
燃料电池中的阳极通常使用贵金属如铂等作为催化剂，然而贵金属的价格昂贵，影响到燃料电池的商业应用。
通过研究新的电催化材料，如非贵金属催化剂或纳米催化剂，可大幅降低燃料电池的成本。
2. CO2还原利用电化学方法将CO2还原成有价值的有机化合物是神经科学领域的热点研究方向。
电催化提供了一种高效、清洁和环保的CO2还原方法，其中特殊合成的电催化剂可有效催化CO2还原反应，生成有机化合物和其他有用物质。
3. 水电光催化污水处理水电光催化污水处理是一项新型技术，采用电化学电解和光化学反应的联合技术，既可消除污水中的有机物和卫生菌，又可消除水体中的重金属，具有环保、高效等特点。
近年来该技术已有应用实例。
三、光电催化1. 光电池光电池是一种将光能直接转化为电能的设备，其通过光电效应将太阳能转化为电能。
光电催化与电催化的不同之处在于光催化反应需要光激发，从而实现电荷分离。
光电催化应用于太阳能电池、人们日常生活中使用的摄像头、充电器等领域。
2. 水分解光电催化水分解是将水分解为氢和氧的过程，可直接使用太阳能作为能源，具有环保和节能的特点。
光电催化讲解学习
TiO2光电催化在环境保护方面的应用
光电催化是在开发利用太阳能的光电化学电池的过 程中迅速发展起来的。 1972年,A. Fujishima和K.Honda在n型半导体 TiO2电极上发现了水的光电催化分解作用,从此开 始了多相催化研究的新纪元。光电催化的前期研 究大多限于太阳能的转换和储存(光解水制氢)。 20世纪80年代以来,TiO2多相光催化在环境保护领 域内对水和气相有机、无机污染物的去除方面取 得了较大进展。 长期的研究表明,光催化方法能将多种有机污染物 彻底矿化去除,为各种有机污染物和还原性的无机 污染物,特别是生物难降解的有毒有害物质的去除, 提供了一种被认为是极具前途的环境污染深度净 化技术。
光电结合催化
光催化剂有一个致命的弱点，即光 生空穴一电子对的复合率较高
提高光催化效率的关键在于减少光 生空穴与电子的复合几率
光电催化——即电场协助光催化技术（协同作 用）
不同反应类型的降解率比较
图引自：彭康华，潘湛昌，等.两种载体上的光电催化降解气相环已烷的 研究[J].材料导报.2007.21(10):142
光电催化
光电催化原理
光催化的原理
必要条件:
光——吸收光或紫外光 催化剂 ——TiO2以其活性高、化学稳定性好、低 廉无毒、持续性长、反应条件温和、降解速度快、 催化效率高及具有超亲水性等特点倍受人们青睐， 成为当前最有应用 潜力的一种光催化剂，在半导体的光催化研究中以 其最为活跃。
紫外线照射
电子 能量
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
光电催化材料的研究及其应用前景
光电催化材料的研究及其应用前景近年来，随着人们对环境保护意识的增强以及能源问题的日益突出，光电催化材料研究逐渐成为热门话题。
该领域的研究不仅可以解决环境和能源问题，还可以推动新能源技术的发展。
一、光电催化材料的定义及特点光电催化材料是一种利用光能和电能激发催化反应的材料。
通过激光、LED光源等外部光能激发催化剂，在光照下进行光催化反应。
在这个过程中，光催化剂吸收光能，激发电子跃迁，从而形成光生电荷对，电子通过半导体催化剂与空穴发生再结合反应，产生强氧化还原的能力实现催化反应的过程。
光电催化技术在各个领域具有广泛的应用前景。
不仅可以用于水处理、空气净化、催化合成等环境保护领域，还可以实现太阳能等新能源的利用，同时还可以推动能源的转化、存储。
二、光电催化材料的种类及应用1. 光催化：将光能转化为化学能。
光催化技术主要应用于水处理、空气净化、污染物降解等领域。
水处理方面，主要通过光电催化材料对水中污染物进行分解。
例如，使用纳米TiO2为光催化剂，可以分解水中的有机物和重金属离子；而使用CdS/GO复合物为光催化剂，则可通过光生电荷对来分解药物、有机污染物等。
2. 光电催化：将光能和电能同时转化。
与光催化相比，光电催化技术应用场景更加广泛。
它不仅能够使用光能进行催化反应，还能够利用电子跃迁过程产生的电能来促进催化反应。
例如，通过CdS-QD光电催化材料催化还原二氧化碳生成甲烷、甲醛等光催化剂无法催化的产物。
除此之外，光电催化材料还可以被应用于光电储能、电池电极材料、太阳能电池、水分解催化器等领域。
三、光电催化材料的研究进展目前，国内外的研究机构和科学家们正在积极研究光电催化材料，探索其更广泛的应用。
其中，新型催化剂开发、复合材料构筑以及催化机理研究成为当前光电催化材料研究的重点。
1. 新型催化剂开发新型催化剂的研发是光电催化领域的重要研究任务之一。
近年来，一些新型催化剂相继被研发出来，并且被应用于污染物处理、新能源开发等领域。
光电催化 PPT
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
光电催化还原co2
光电催化还原co2光电催化还原CO2近年来，随着全球气候变化问题的日益严重，寻找一种可持续的能源和减少二氧化碳（CO2）排放的方法成为了当务之急。
光电催化技术作为一种潜在的解决方案，受到了广泛的关注。
本文将介绍光电催化还原CO2的原理、方法以及应用前景。
光电催化还原CO2是一种利用光能将CO2转化为高能量化合物的过程。
其基本原理是利用光电催化剂，将太阳光转化为电能，然后利用电能促使CO2分子发生还原反应。
光电催化剂通常由半导体材料构成，如二氧化钛（TiO2）、二硫化钼（MoS2）等。
这些材料具有良好的光吸收性能和电子传导性能，能够有效地吸收太阳光能和催化电子传输。
光电催化还原CO2的方法主要包括光电催化剂的制备和反应条件的优化。
首先，需要选择合适的光电催化剂材料，并通过控制其形貌、晶体结构和表面性质等来提高催化性能。
其次，优化反应条件，包括光照强度、反应温度和气氛等因素，以提高反应效率和选择性。
此外，还可以通过调控催化剂的表面修饰、添加共催化剂和调节反应pH值等手段来改善光电催化还原CO2的效果。
光电催化还原CO2技术具有广阔的应用前景。
首先，它可以将CO2这一温室气体转化为有用的化学品，从而减少CO2排放对气候变化的影响。
其次，光电催化还原CO2可以用于制备高能量燃料，如甲烷、乙烷等，从而解决能源短缺和环境污染问题。
此外，光电催化还原CO2还可以应用于光催化水分解产氢、有机合成和环境净化等领域，具有广泛的应用前景。
然而，光电催化还原CO2技术目前仍存在一些挑战和问题。
首先，光电催化剂的光吸收效率和电子传导性能仍需进一步提高，以提高反应效率和选择性。
其次，光电催化还原CO2的反应机理尚不完全清楚，需要进一步研究和探索。
此外，光电催化还原CO2的规模化生产和应用仍面临一定的技术和经济难题。
光电催化还原CO2是一种有望应用于减少CO2排放和开发可持续能源的技术。
通过优化光电催化剂材料和反应条件，并探索其应用于不同领域的可能性，可以进一步提高光电催化还原CO2的效率和应用前景。
光电材料在光催化领域的应用研究
光电材料在光催化领域的应用研究光电材料是一类具有特殊光电性质的材料，在包括光催化领域在内的许多领域中具有广泛的应用前景。
光催化技术是一种通过光照下材料表面所产生的电子空穴对进行化学反应的方法。
它不仅可以用于有机污染物的降解、水分解产氢和二氧化碳还原，还可以应用于环境净化、能源利用和新能源材料的研究等。
因此，光电材料在光催化领域的研究对于社会的可持续发展具有重要意义。
光电材料在光催化领域的研究主要集中在两个方面：材料的光催化性能和机理的研究。
第一，光电材料的光催化性能是判断其应用潜力的重要指标之一。
光电材料的光催化性能受到其结构、光吸收能力、电子传输等多个因素的影响。
目前，研究人员已经发现了许多具有较高光催化活性的光电材料，如二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）、二氧化钒（V2O5）等。
这些材料具有较高的光吸收能力和光生电子空穴对分离效率，可以有效地催化有机污染物的降解。
此外，还有一些其他的光电材料正在被广泛研究，如半导体量子点、二维纳米材料等，在光催化领域也展现出了良好的应用潜力。
第二，机理的研究是为了深入了解光电材料在光催化过程中的作用机制。
在光催化反应中，光电材料所吸收的光子能量会激发其内部的电子，使其跃迁到导带中，同时在价带中产生空穴。
光生电子空穴对的分离与载流子的迁移是光催化反应发生的关键步骤。
因此，研究人员通过实验和理论模拟等手段，探索并验证了不同光电材料在光催化反应中的激发、载流子传输和还原/氧化等过程。
这些研究结果有助于优化和改进光电材料的光催化性能。
除了上述的光电材料的性能和机理研究，还有一些相关的研究工作正在进行。
例如，针对光电材料的修饰和合成方法的研究可以提高光电材料的催化效果。
研究人员通过改变光电材料的晶体结构、表面形貌和控制其纳米级粒径等手段，可以有效提高材料的光催化活性。
此外，在光电材料的载流子传输和光催化反应速率等方面的研究也有助于开发更高效的光催化材料和技术。
例如，通过改变载流子的传输和回收路径，可以提高光电材料的光催化性能。
光催化原理的本质
光催化原理的本质
光催化原理的本质是利用光的能量和催化剂之间的相互作用，促进化学反应的进行。
在光照射下，催化剂能够吸收光能，激发电子从基态跃迁到激发态。
在激发态下，催化剂具有较高的反应活性，可以在更低的能量条件下促进化学反应的发生。
这种光激发-催化反应的过程可以通过激光催化、光电催化、光热催化等不同的机制实现。
光催化原理的本质是利用光能量的吸收和转换，将其转化为化学能，并加速催化反应的发生速率。
光催化剂作为吸光材料，能够吸收特定波长的光，并将光能转化为电子的激发能量。
激发的电子具有较高的能量，可以穿过势垒，从而参与化学反应。
此外，光催化还可以通过激发氧化剂或还原剂的电子，改变其在催化反应中的氧化还原性质，促进化学反应的进行。
光催化反应可以是光氧化反应、光还原反应、光催化降解污染物等不同类型的反应。
总之，光催化原理的本质在于通过光能的吸收和转化，催化剂的激发，以及电子的高能激发，达到促进化学反应的目的。
这种原理在环境治理、能源转化等许多领域具有广泛的应用前景。
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35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
25、学习是劳动，是充满思想的要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
光催化与光电催化65页PPT 文档
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
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而携带流过此固定相的流体称为流动相。
色谱法因具有分离性能高、灵敏度高和分析速度快等特点， 已经成为现代仪器分析方法中应用最为广泛的一种方法，也在光催
化研究中得到广泛应用。
气相色谱法是采用气体（载气）作为流动相的一种 色谱方法，色谱仪通常由载气系统、进样系统、分离系
统、检测系统和记录与数据处理系统等部分构成。
背散射电子 是被固体样品 中的原子核反 弹回来的一部 分入射电子， 其中包括弹性 背散射电子和 非弹性背散射 电子。 …. 在入射电子束作 用下被轰击出来 并离开样品表面 的样品的核外电 子叫做二次电子
投射电镜原理：是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁 透镜聚焦的一种具有高分辨、高放大倍数的电子光学仪器。
材料研究领域占有非常重要的地位。 • 确定未知物，包括天然的和人工合成的。 • 在材料的合成中，对反应生成物进行分析测试。确定是 否是目标产物；如果产物中含有杂质，通过对产物的测 试分析，来指导合成。
第二节 分析方法
在光催化的基础研究和应用开发中，在催化剂的制
备过程中，需要对催化剂进行表征。
物理表征法
分析方法
光学表征法
化学结构的表征法
物理表征方法
X射线衍射分析是利用晶体形成对X射线衍射，对物质 进行内部原子在空间分布的状况进行分析的方法。 原理：一定波长的X射线照射到晶体物质上时，X射线会 遇到晶体内规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X
射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构
相对应的特有的衍射现象。
应气和空气）等各要素之间的良好接触和匹配关系。
液相光催化反应器的若干重要因素：
1.光源
光源是实用型光催化反应器的核心部分之一。
人工光源一般为紫外光源或可见光光源，用电驱动；
人工光源 采用浸没式，光的利用效率比较高，光源采用石英层， 光源
一般在反应溶液外有循环冷却水。
自然光源
自然光源为太阳光，一般将反应器设计成平板型光催 化反应器和聚光式光催化反应器等类型。
常用的载体有砂子、玻璃、无纺布、沸石、分子筛、玻璃纤维、中空玻
珠、活性炭、硅胶、不锈钢等。
选用载体时要考虑以下几点： ①载体的比表面积要大，有利于增加反应面积； ②有良好的机械强度和耐腐蚀性能； ③不能损害催化剂的活性，最好能增强催化剂的活性； ④价廉易得。
第二节 分析方法
材料的表征和分析是材料学的重要组成部分，在整个
强度意味着低的电子空穴复合率。
化学结构的表征法
TiO2光催化剂的化学结构是指其元素组成、价态
分布基团及自由基等的种类和含量。
1.
色谱法是一种重要的分离分析方法，它是利用混合物不同组分
在两相中具有不同的分配系数（或吸附系数、渗透性），当两相作
相对运动时，不同组分在两相中进行多次反复分配实现分离后，通 过检测器得以检测，进行定量分析。其中，不动的一相称为固定相，
化剂的团聚，
目前实验室常用一类反应器
使用圆柱形光催化反应器进行科学研究时应当注 意两个问题。 第一个问题是必须选择合适的光源。选用单一波 长、功率较小的光源。 第二个问题是取样时间的控制。 如果采用的光源为高压汞灯，反应过程中取样时 间难以控制，因为即使将汞灯的电源断开后仍然有部
分余光。如果采用单波长、小功率的稳定光源，有时
利用电子束在样品表面扫 描激发出来代表样品表面特 征的信号成像的。 可同时进行表面形貌和成 分分析。 分辨率1nm，放大倍数20～ 20万 倍。
采用透过薄膜样品的电子 束来显示样品内部组织形态 与结构的。 可同时进行微观组织形态、 晶体结构和成分分析。
分 辨 率 0.1nm 放 大 倍 数 80~100万倍。
普遍认为，吸附步骤是光催化反应发生的先决条件被降
解的反应物只有预先吸附在催化剂的表面上，才能发生光催 化反应。
羟基自由基（不论吸附或游离）与有机物之间的反应速率为
2. 催化剂的存在方式
选择催化剂的存在方式也是光催化反应器中的重要因素之一。 悬浆态 悬浆体反应器 负载型 催化剂的存在方式 固定态 固定床反应器 薄膜型 填充型 流化态 流化床反应器
一定程度上 实现光催化 剂使用后的 回收和重复 利用。
负载型催化剂主要指将粉末光催化剂通过粘接剂负载于某种载体上，
光催化反应属于多相反应，因此，具有一般多相反应的 特征。比如，反应步骤比较多，通常可分为反应物向催化剂
表面的传质、吸附，表面反应，反应产物的脱附和传质等。
液相光催化反应中，可以不考虑传质的作用。
吸附的有机物同吸附的羟基自由基出了四种可能的反应。
1.吸附的有机物通吸附的羟基自由基之间的反应；
2.吸附的有机物同扩散到溶液相中的羟基自由基之间的反 应； 3.溶液相中的有机物同溶液相中的自由基之间的反应； 4.吸附的自由基同扩散到催化剂表面的有机物之间的反应。
一、实验室光催化反应器
实验室光催化反应器光催化反应器是光催化反应发生的 场所。
光源 反应容器
搅拌台
第一 光源的利用效率不高。光线从反应器上部进行照
射时，在溶液中急剧衰减。因此，只有溶液表面 的那层能够利用光源，效率较低。 第二 不能避免溶质与溶剂的挥发损失。如果被降解的对
象（溶质）是具有一定挥发性的有机物，则在反应
3. BET比表面积测定
比表面积: S =
Vm· Am N·
22400· W
×10-18(m2/g)
=4.36Vm/W(m2/g)
2.
荧光发射光谱常用来研究半导体中电子和空
穴的捕获、累积或转移。二氧化钛光催化剂受光
激发后会产生电子和空穴，其中复合部分的能量
以光的形式释放出来，发出荧光，低的荧光发射
操作者可以在次日白天取样。 4. 光源自成本低廉，还可以用于实验室内其他目的的时间 控制。
三、实用型光催化反应器
液相光催化反应器 光催化反应器 气相光催化反应器
• 液相光催化反应器中的光-固（催化剂）-液（反应溶液）-
气
（空气）等各要素之间的良好接触和匹配关系；
•气相光催化反应器中的光- 固（催化剂-汽（水蒸气）-气（反
具有稳定流量的载气（不与被测物质作用的气体， 如氢气、氮气等），将样品在气化室气化后，带入色谱 柱得以分离，不同组分先后从色谱柱中流出，经过检测 器和记录仪，得到代表不同组分及浓度的色谱峰组成的
色谱图。
A= lg(1/T) = K b c
A为吸光度,T为透射比,是透射光强度比上入射光强度 K为摩尔吸
也会造成取样时器的优点如下：
1. 光源在设定时间到达时自动熄灭，光催化反应或光反应
立即停止，时间控制准确。 2. 操作者毋需在现场守候，到达设定时间时，有乐音系统 自动提醒操作者。 3. 当某一光反应时间较长，如需持续到深夜，操作者也不
用在现场守候。到达设定时间时，自动熄灭，反应停止，
：入射光波长； ：布拉格角；n： 反射级数。
布拉格方程
2.电子显微镜（EM）
电子显微镜，简称电镜，是根据电子光学原理，用电 子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构 在非常高的放大倍数下成像的仪器。
扫描电子显微镜（SEM） 电子显微镜 透射电子显微镜（TEM）
扫描电镜原理：电子束在样品表面做扫描，激发出二次电 子和被散射电子等信号，二次电子相和背散射电子反应样 品表面微观形貌特征。特征X射线分析样品的微区化学成分。
收系数。它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关。 c为吸光物质的
浓度 b为吸收层厚度 。 物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,
其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。
总有机碳是指水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量。TOC是一个 快速检定的综合指标，它以碳的数量表示水中含有机物的总量。通常 作为评价水体有机物污染程度的重要依据。 测定时，先用催化燃烧或湿法氧化法将样品中的有机碳全部转化 为二氧化碳，生成的二氧化碳可直接用红外线检测器测量，亦可转化 为甲烷，用氢火焰离子化检测器测量，然后将二氧化碳含量折算成含 碳量。
过程中会有挥发损失，程度与有机物的挥发性大小 有关。如果光源的功率较大，还会导致溶剂发热而 蒸发损失，使得反应结果存在较大误差。
圆柱形光催化反应器的优点：
1. 操作比较方便； 2. 光源的利用效率比较高； 3. 反应温度比较容易控制； 4. 溶液混合也比较充分 5. 粉末催化剂的分散性能也 比较好，可以避免粉末催
水热合成系列钙钛矿DyMnO3和DyFeO3
熔融盐法制备钙钛矿材料EDS分析
特征X射线：当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能 量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使 具有特征能量的X射线释放出来。
(a) Transmission electron microscopy (TEM) image of La0.5Ba0.5MnO3 nanocubes。 (b) ( b) High-resolution TEM image of a 30-nmLa0.7Ba0.3MnO3nanocube along with a selected area diffraction pattern shown inthe inset.