光催化学科的前沿与发展趋势ppt课件
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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
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（2)半导体在溶液中的氧化还原反应过程
h++H2O e -+O2 2HO2 • H2O2 + •O2-
《光催化氧化技术》课件
应用范围广
光催化氧化技术可应用于水处理、空气净化、自洁材料等领域，具有 广泛的应用前景。
可与其他技术结合
光催化氧化技术可以与其他技术如超声波、电化学等结合使用，提高 降解效率。
技术挑战
对光源的依赖性 催化剂的稳定性
反应条件控制 成本问题
光催化氧化技术需要一定波长的光源照射才能进行，对于一些 难以照射到的地方或特定波长的光源，该技术的应用受到限制
案例二：空气净化
总结词
光催化氧化技术能够去除空气中的有害气体和微生物，对室内和室外空气净化具有重要 作用。
详细描述
光催化氧化技术通过将空气中的有害气体和微生物吸附到光催化剂表面，在光照条件下 被氧化分解为无害物质，从而达到净化空气的目的。该技术可以有效去除甲醛、苯、氨 气等有害气体，以及细菌、病毒、霉菌等微生物，对于改善室内外空气质量具有显著效
02
光催化氧化技术的应用领域
环境保护
去除污染物
光催化氧化技术能够将有机和无 机污染物分解为无害物质，如二 氧化碳和水，从而有效去除空气
和水中污染物。
废水处理
光催化氧化技术可用于处理各种工 业和生活废水，降低水体中的有毒 有害物质含量，达到排放标准。
土壤修复
光催化氧化技术可用于修复被重金 属和有机物污染的土壤，通过分解 污染物降低其对生态系统的危害。
结果分析
根据实验结果，分析光催化氧化反应的机理、影 响因素和优化条件。
3
应用前景
探讨光催化氧化技术在环保、能源等领域的应用 前景。
05
光催化氧化技术的实际案例
案例一：污水处理
总结词
光催化氧化技术在污水处理领域具有显著的应用效果，能够有效降解有机污染物，提高污水处理效率 。
光催化氧化技术可应用于水处理、空气净化、自洁材料等领域，具有 广泛的应用前景。
可与其他技术结合
光催化氧化技术可以与其他技术如超声波、电化学等结合使用，提高 降解效率。
技术挑战
对光源的依赖性 催化剂的稳定性
反应条件控制 成本问题
光催化氧化技术需要一定波长的光源照射才能进行，对于一些 难以照射到的地方或特定波长的光源，该技术的应用受到限制
案例二：空气净化
总结词
光催化氧化技术能够去除空气中的有害气体和微生物，对室内和室外空气净化具有重要 作用。
详细描述
光催化氧化技术通过将空气中的有害气体和微生物吸附到光催化剂表面，在光照条件下 被氧化分解为无害物质，从而达到净化空气的目的。该技术可以有效去除甲醛、苯、氨 气等有害气体，以及细菌、病毒、霉菌等微生物，对于改善室内外空气质量具有显著效
02
光催化氧化技术的应用领域
环境保护
去除污染物
光催化氧化技术能够将有机和无 机污染物分解为无害物质，如二 氧化碳和水，从而有效去除空气
和水中污染物。
废水处理
光催化氧化技术可用于处理各种工 业和生活废水，降低水体中的有毒 有害物质含量，达到排放标准。
土壤修复
光催化氧化技术可用于修复被重金 属和有机物污染的土壤，通过分解 污染物降低其对生态系统的危害。
结果分析
根据实验结果，分析光催化氧化反应的机理、影 响因素和优化条件。
3
应用前景
探讨光催化氧化技术在环保、能源等领域的应用 前景。
05
光催化氧化技术的实际案例
案例一：污水处理
总结词
光催化氧化技术在污水处理领域具有显著的应用效果，能够有效降解有机污染物，提高污水处理效率 。
光催化学科的前沿与发展趋势ppt课件
● Michikazu Hara等通过氮化Ta2O5合成出窄禁带宽度的半导 体TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收带边分别拓 展到500nm和600nm左右，从而具备可见光光催化性能[4]。
● Masato Takeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2， 光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。
O2p h+ VB
O2/OH-
NHE
Ti Cr , In
42
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d
UV Vis
VB
CB
eN2p Vis
H+/ H2
UV
O2p
h+ VB
O2/OH-
NHE
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
43
光催化学科的前沿与发展趋势
1
●光催化学科是催化化学、光电化学、 半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
2
光催化分解水制氢
H2O
→hv
催化剂
H2 +
½
O2
环境光催化
C6H6 +
7
½
O2
→hv
催化剂
6
CO2 +
3H2O
● Masato Takeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2， 光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。
O2p h+ VB
O2/OH-
NHE
Ti Cr , In
42
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d
UV Vis
VB
CB
eN2p Vis
H+/ H2
UV
O2p
h+ VB
O2/OH-
NHE
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
43
光催化学科的前沿与发展趋势
1
●光催化学科是催化化学、光电化学、 半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
2
光催化分解水制氢
H2O
→hv
催化剂
H2 +
½
O2
环境光催化
C6H6 +
7
½
O2
→hv
催化剂
6
CO2 +
3H2O
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。
(完整)光催化材料的研究概况精品PPT资料精品PPT资料
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光启催动 化涂层专用纳米二氧化钛
导带连续调控、价带连续调控以及双带同时调控 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。
光催化材料的开发现状与研究①方法具有光催化降解甲醛、苯、氨等有害气体的功效。 利用两种半导体形成固溶体，②其性具质有随各抗个污组元、在屏固溶蔽体紫中所外占线百分功比效而变。化，可以实现对半导体带隙的连续可调，因而固溶体半导
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，
1972年但，是东在京大规学模Fu化jish利ima用和H太on阳da研能究方发现面，还利用远T远iO2不单晶够进。行光光催催化反化应研可使究水的分解关成键氢和问氧题。 之一是发展能够 需要说在明的太是阳，目光前下高效高光效催化工材作料开的发稳仍然定存、在很低多成难题本。半导体光催化材料。 当电入子射 空为光穴能对了量；与等于传或统高于的半T导iO体材2 料，的S禁r带T宽iO度3时等，仅半导具体有材料紫的外价带光电响子受应激的发跃光迁催至导化带材，同料时相在价区带别上产，生人相应们的称空穴具，形成 具有光有催化可降见解甲光醛响、苯应、的氨等光有催害气化体材的功料效为。 新型光催化材料。
当然还有……
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。
导带连续调控、价带连续调控以及双带同时调控 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。
光催化材料的开发现状与研究①方法具有光催化降解甲醛、苯、氨等有害气体的功效。 利用两种半导体形成固溶体，②其性具质有随各抗个污组元、在屏固溶蔽体紫中所外占线百分功比效而变。化，可以实现对半导体带隙的连续可调，因而固溶体半导
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，
1972年但，是东在京大规学模Fu化jish利ima用和H太on阳da研能究方发现面，还利用远T远iO2不单晶够进。行光光催催化反化应研可使究水的分解关成键氢和问氧题。 之一是发展能够 需要说在明的太是阳，目光前下高效高光效催化工材作料开的发稳仍然定存、在很低多成难题本。半导体光催化材料。 当电入子射 空为光穴能对了量；与等于传或统高于的半T导iO体材2 料，的S禁r带T宽iO度3时等，仅半导具体有材料紫的外价带光电响子受应激的发跃光迁催至导化带材，同料时相在价区带别上产，生人相应们的称空穴具，形成 具有光有催化可降见解甲光醛响、苯应、的氨等光有催害气化体材的功料效为。 新型光催化材料。
当然还有……
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。
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
光催化学科的前沿与发展趋势
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。 ●值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场 [20-21] 、磁场 [22] 、超声波 [23] 、热场 [24] 等）与光催 化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有 益的探索。
（4）研究经费：基础研究经费投入少，特别是光催化
分解水方面的基础研究经费极少。
●从上面的分析可以看出，我国的光催化研 究整体上已经进入快速发展期，已成为国 际光催化领域的一支重要研究力量，加上 我国对环境保护、能源开发的巨大需求和 市场背景，进一步加大对光催化基础和应 用研究的支持力度，促进光催化学科的发 展是十分必要的。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。
O2p h+
VB
VB
NHE
Ti Cr , In
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d UV Vis N2p O2p eH+/ H2
CB
Vis
UV
O2/OH-
h+ VB NHE
VB
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
●光催化学科是催化化学、光电化学、
（4）研究经费：基础研究经费投入少，特别是光催化
分解水方面的基础研究经费极少。
●从上面的分析可以看出，我国的光催化研 究整体上已经进入快速发展期，已成为国 际光催化领域的一支重要研究力量，加上 我国对环境保护、能源开发的巨大需求和 市场背景，进一步加大对光催化基础和应 用研究的支持力度，促进光催化学科的发 展是十分必要的。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。
O2p h+
VB
VB
NHE
Ti Cr , In
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d UV Vis N2p O2p eH+/ H2
CB
Vis
UV
O2/OH-
h+ VB NHE
VB
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
●光催化学科是催化化学、光电化学、
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.
1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得 重大突破
采用固相合成、过渡金属离子和非金 属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、 半导体复合等多种方法，制备出了一系列 新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光 催化材料，这些材料在可见光的照射下， 能将H2O分解为H2和O2，或能有效降解空 气、水中的有机和无机污染物。
.
2、学科发展方向
从理论和应用上解决可见光光催化和提高 光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化 学科的发展方向。
.
前沿课题和研究重点：
（1）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制 （能带调变，非TiO2光催化剂）；
（2）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光 催化理论体系的探讨（原位表征和超快 时间分辨技 术研究光生载流子的迁移传输规律）；
.
_
A
光
还 原
催A
化
原
理
hν
导带
hν= Eg
价带
D 氧 化
D+
.
NHE(pH=0)
光 解 0.0eV H+/H2 水 原 1.23eV O2/H2O 理
hν
导带 激发电子
光吸收
价带
生成空穴
.
●光催化技术在众多领域具有广阔的应用 前景和重大社会经济效益
空气、水净化
洁净能源
国防军事
医疗卫生
光催化技术 建筑材料
●R. Asahi等[6]采用N置换式掺杂得到的TiO2-xNx在可见光条件 下对亚甲基蓝和气态乙醛的光催化活性以及负载型TiO2-xNx 薄膜的亲水性都高于TiO2。（Science，2001）
.
●赵进才等人[7]用β-环糊精和有生物活性的小分子
血晶素合成了一种金属-有机络合物（CDH），该 络合物在可见光下可以活化H2O2，把水中的若丹 明B（RhB）和2，4-二氯苯酚（DCP）等有机污 染物氧化和矿化。
●最近，李灿等人采用水热合成制备出具有可见光
活性的光解水ZnIn2S4新型催化剂[8]。
.
硫化物ZnIn S 上可见光催化分解水制氢 2 evca.
4
evca.
evca. evca.
evca.
evca.
2.4 1st run 2nd run 3rd run 4th run 5th run 6th run
.
最突出的问题在于：
（1）量子效率低（～4%）
难以处理量大且浓度高的废气和废水，难以实现光催 化分解水制氢的产业化。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
●值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场 [20-21]、磁场[22]、超声波[23]、热场[24]等）与光催 化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有 益的探索。
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
.
●光催化学科是催化化学、光电化学、 半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
.
光催化分解水制氢
H2O
→hv
催化剂
H2 +
½
O2
环境光催化
C6H6 +
7
½
O2
→hv
催化剂
6
CO2 +
3H2O
.
●环境和能源是二十一世纪人类面临和 亟待解决的重大问题。光催化以其室 温深度反应和可直接利用太阳光作为 光源来驱动反应等独特性能而成为一 种理想的环境污染治理技术和洁净能 源生产技术。
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。
（4）光催化应用中的技术难题
如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收 技术，在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂
.
活性稳定性问题。
上述关键问题也是目前国内外光催化 领域的研究焦点，围绕这些问题开展进一 步的研究不仅可望在光催化基础理论方面 获得较大的突破，而且有利于促进光催化 技术真正能在上述众多领域得到大规模广 泛工业应用。
● Michikazu Hara等通过氮化Ta2O5合成出窄禁带宽度的半导 体TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收带边分别拓 展到500nm和600nm左右，从而具备可见光光催化性能[4]。
● Masato Takeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2， 光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。
纺织工业
家用电器 汽车工. 业
●光催化受到科学界、政府部门及企业界的 高度重视，投入了大量的资金和研究力量 开展光催化基础理论、应用技术开发及工 程化研究，使得光催化成为近年来国内外 最活跃的研究领域之一。
.
一、光催化领域的重大科技问题 与学科发展趋势
1、重大科技问题
目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存 在一些关键科学技术难题，使其广泛的工业应 用受到极大制约，而这些问题的解决则有赖于 深入系统的基础研究。
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。
.
● Zhigang Zou等采用高温固相合成法，制备出可见光活性的 In1-xNixTaO4 催 化 剂 并 应 用 于 光 解 水 制 氢 [1] 、 随 后 又 研 制 出 InVO4 [2]、NiM2O6 (M=Nb,Ta) [3]等系列可见光活性的光解水 催化剂。（Nature，2001)
2.0
fresh solution
fresh solution
fresh solution
Amount of H / mmol 2
1.6
1.2
*
0.8
0.4
0.0 0
24
48
72
96
120 141450
Time / hour
Zhibin Lei .and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142..
（3）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）； （4）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用
研究。
.
二、光催化领域的最新研究进展
近年来，光催化的基础与应用研究 发展非常迅速，特别是在可见光诱导 的新型光催化剂的研究、都取得了重要进展。
1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得 重大突破
采用固相合成、过渡金属离子和非金 属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、 半导体复合等多种方法，制备出了一系列 新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光 催化材料，这些材料在可见光的照射下， 能将H2O分解为H2和O2，或能有效降解空 气、水中的有机和无机污染物。
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2、学科发展方向
从理论和应用上解决可见光光催化和提高 光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化 学科的发展方向。
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前沿课题和研究重点：
（1）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制 （能带调变，非TiO2光催化剂）；
（2）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光 催化理论体系的探讨（原位表征和超快 时间分辨技 术研究光生载流子的迁移传输规律）；
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A
光
还 原
催A
化
原
理
hν
导带
hν= Eg
价带
D 氧 化
D+
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NHE(pH=0)
光 解 0.0eV H+/H2 水 原 1.23eV O2/H2O 理
hν
导带 激发电子
光吸收
价带
生成空穴
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●光催化技术在众多领域具有广阔的应用 前景和重大社会经济效益
空气、水净化
洁净能源
国防军事
医疗卫生
光催化技术 建筑材料
●R. Asahi等[6]采用N置换式掺杂得到的TiO2-xNx在可见光条件 下对亚甲基蓝和气态乙醛的光催化活性以及负载型TiO2-xNx 薄膜的亲水性都高于TiO2。（Science，2001）
.
●赵进才等人[7]用β-环糊精和有生物活性的小分子
血晶素合成了一种金属-有机络合物（CDH），该 络合物在可见光下可以活化H2O2，把水中的若丹 明B（RhB）和2，4-二氯苯酚（DCP）等有机污 染物氧化和矿化。
●最近，李灿等人采用水热合成制备出具有可见光
活性的光解水ZnIn2S4新型催化剂[8]。
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硫化物ZnIn S 上可见光催化分解水制氢 2 evca.
4
evca.
evca. evca.
evca.
evca.
2.4 1st run 2nd run 3rd run 4th run 5th run 6th run
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最突出的问题在于：
（1）量子效率低（～4%）
难以处理量大且浓度高的废气和废水，难以实现光催 化分解水制氢的产业化。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
●值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场 [20-21]、磁场[22]、超声波[23]、热场[24]等）与光催 化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有 益的探索。
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
.
●光催化学科是催化化学、光电化学、 半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
.
光催化分解水制氢
H2O
→hv
催化剂
H2 +
½
O2
环境光催化
C6H6 +
7
½
O2
→hv
催化剂
6
CO2 +
3H2O
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●环境和能源是二十一世纪人类面临和 亟待解决的重大问题。光催化以其室 温深度反应和可直接利用太阳光作为 光源来驱动反应等独特性能而成为一 种理想的环境污染治理技术和洁净能 源生产技术。
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。
（4）光催化应用中的技术难题
如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收 技术，在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂
.
活性稳定性问题。
上述关键问题也是目前国内外光催化 领域的研究焦点，围绕这些问题开展进一 步的研究不仅可望在光催化基础理论方面 获得较大的突破，而且有利于促进光催化 技术真正能在上述众多领域得到大规模广 泛工业应用。
● Michikazu Hara等通过氮化Ta2O5合成出窄禁带宽度的半导 体TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收带边分别拓 展到500nm和600nm左右，从而具备可见光光催化性能[4]。
● Masato Takeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2， 光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。
纺织工业
家用电器 汽车工. 业
●光催化受到科学界、政府部门及企业界的 高度重视，投入了大量的资金和研究力量 开展光催化基础理论、应用技术开发及工 程化研究，使得光催化成为近年来国内外 最活跃的研究领域之一。
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一、光催化领域的重大科技问题 与学科发展趋势
1、重大科技问题
目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存 在一些关键科学技术难题，使其广泛的工业应 用受到极大制约，而这些问题的解决则有赖于 深入系统的基础研究。
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。
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● Zhigang Zou等采用高温固相合成法，制备出可见光活性的 In1-xNixTaO4 催 化 剂 并 应 用 于 光 解 水 制 氢 [1] 、 随 后 又 研 制 出 InVO4 [2]、NiM2O6 (M=Nb,Ta) [3]等系列可见光活性的光解水 催化剂。（Nature，2001)
2.0
fresh solution
fresh solution
fresh solution
Amount of H / mmol 2
1.6
1.2
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0.8
0.4
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24
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72
96
120 141450
Time / hour
Zhibin Lei .and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142..
（3）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）； （4）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用
研究。
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二、光催化领域的最新研究进展
近年来，光催化的基础与应用研究 发展非常迅速，特别是在可见光诱导 的新型光催化剂的研究、都取得了重要进展。