4光催化及其应用PPT课件
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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
Байду номын сангаас
Na2S ＋ H2O → 2Na＋ ＋ HS－ ＋ OH－ （1）
2HS－ ＋ 2 hν → S22－ ＋ 2H＋ ＋ 2e－ （2）
2H＋ ＋ 2e－ → H2↑
（3）
2HS－ ＋2 hν(photon) → S22－ ＋ H2↑ 2S2- + 2H2O +2hν(photon) → S22- + 2OH- + H2↑
光催化及其应用
• 太阳能分解水的基本原理； • Na2S水溶液光催化制氢气； • 光催化剂的研究； • 光催化实验装置和录像； • 结语。
地球上的自然能量资源
太阳能的利用
1.转化为电能——太阳能电池； 2.转化为化学能——光合成
植物光合作用——生成物为糖类 和氧气——是一种储能过程；
人工光合成——水分解为氢气和 氧气——氢能源。
s- ZnS-Zn 微粒子的 EDX检测
Energy Dispersive X-ray microanalysis
s- ZnS-Zn微粒子的形成过程
光照射实验装置及紫外线光谱
s- ZnS-Zn微粒子的光催化活性
s- ZnS-Zn> s- ZnS 金属Zn作为传递电子的电极发挥作用
s- ZnS-Zn> s- ZnS-Zn-ZnO 无ZnO，光的吸收效率提高了
s- ZnS-Zn的优点： 通常的金属负载催化剂，金属负载于表
面，而对于s- ZnS-Zn，金属负载于微胶囊 的内表面，粒子内部与外部的电子与正孔 的分离以及反应位置的分离就成为可能；
金属载于内表面，外部的光与半导体直 接接触，金属不会发生吸收作用；
s- ZnS-Zn微粒子中的ZnS约5nm，
s- ZnS-Zn微粒子的光吸收特性
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
s- ZnS-Zn微粒子的TEM观察
Field Emission Transmission Electron Microscope (FE-TEM)
• 能带大于水的电解电压（1.23eV）以上； • 传导带的下限，比H+/H2的氧化还原电位(0V)更负； • 价电子带的上限，比O2/H2O的电位(1.23eV)更正； • 电子－正孔对的再结合要足够缓慢； • 光照射不溶解。
• 表面反应速度慢—— 微细化，多孔化 • 电子/正孔对再结合——氧化－还原位置的分离 • 反应中间体的逆反应——H2生成助催化
• 食盐电解；天然气及乙醇等的水蒸气改 性等；
• 通过光催化剂，利用太阳能，分解水制 氢气；
太阳能光催化制氢
• 氢气的生成反应与太阳能电池的电解类 似，由于在催化剂表面直接供给电子， 与电解相比，电能的损耗少，从而光催 化的效率高。
太阳光谱的波长与强度
光催化剂
• 光照射引起催化作用的物质 通过适当波长的光进行照射，催化
Ultraviolet-Visible Spectrophotometer (UV-VIS)
• 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
Na2S水溶液中的离子平衡
s- ZnS-Zn微粒子
• 具有微胶囊 (Micro-Capsule) 和层状 (straitified)结构；
• Na2S溶液中具有很高的光催化活性。
s- ZnS-Zn微粒子的制备
1.Z硫nO化(高，纯白色99Z.9n9O9粒%)子，变在成N淡a2S黄水色溶，液得中到进s行-Zn表S面ZnO微粒；
2.s用-Z5n0S0-wZn水O银微灯粒进，行在照Na射2S，水淡溶黄液色中微边粒搅逐拌步，变边成 灰色，成为s-ZnS-Zn-ZnO微粒；
3.s-ZnS-Zn-ZnO微粒，进行HCl处理，除去内部 残留的ZnO。pH=2时，ZnS不溶，只溶解ZnO。 得到s-ZnS-Zn微粒。
4.不经过第二步，可制备出层状s-ZnS。
实 验 装 置 实 物
光催化效果
• 光催化录像1
氢能源
• 1870年的科幻小说中第一次提及，当时 提及的月球旅行、海底旅行、机器人等 现在已经实现，水产生氢能源在本世纪 有望成为现实；
• 特征：取之不尽；绿色清洁；便于储存； 使用方便，即可作为汽车燃料，也可通 过燃料电池直接转化为电能。
水分解制氢气
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
催化剂的能带
1.催化剂的能带大于水的电解 电压（理论值1.23V);
2.传导带的电子具有还原性， 价电子带的正孔具有氧化能力。
3.传导带的下端应比氢气生成 电位更负，价电子带的上端应比氧 气生成电位更正。
TiO2的能带为3.0eV，需要比其能量 更大的413nm以下紫外线光照射。
水分解光催化的基本条件
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
Байду номын сангаас
Na2S ＋ H2O → 2Na＋ ＋ HS－ ＋ OH－ （1）
2HS－ ＋ 2 hν → S22－ ＋ 2H＋ ＋ 2e－ （2）
2H＋ ＋ 2e－ → H2↑
（3）
2HS－ ＋2 hν(photon) → S22－ ＋ H2↑ 2S2- + 2H2O +2hν(photon) → S22- + 2OH- + H2↑
光催化及其应用
• 太阳能分解水的基本原理； • Na2S水溶液光催化制氢气； • 光催化剂的研究； • 光催化实验装置和录像； • 结语。
地球上的自然能量资源
太阳能的利用
1.转化为电能——太阳能电池； 2.转化为化学能——光合成
植物光合作用——生成物为糖类 和氧气——是一种储能过程；
人工光合成——水分解为氢气和 氧气——氢能源。
s- ZnS-Zn 微粒子的 EDX检测
Energy Dispersive X-ray microanalysis
s- ZnS-Zn微粒子的形成过程
光照射实验装置及紫外线光谱
s- ZnS-Zn微粒子的光催化活性
s- ZnS-Zn> s- ZnS 金属Zn作为传递电子的电极发挥作用
s- ZnS-Zn> s- ZnS-Zn-ZnO 无ZnO，光的吸收效率提高了
s- ZnS-Zn的优点： 通常的金属负载催化剂，金属负载于表
面，而对于s- ZnS-Zn，金属负载于微胶囊 的内表面，粒子内部与外部的电子与正孔 的分离以及反应位置的分离就成为可能；
金属载于内表面，外部的光与半导体直 接接触，金属不会发生吸收作用；
s- ZnS-Zn微粒子中的ZnS约5nm，
s- ZnS-Zn微粒子的光吸收特性
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
s- ZnS-Zn微粒子的TEM观察
Field Emission Transmission Electron Microscope (FE-TEM)
• 能带大于水的电解电压（1.23eV）以上； • 传导带的下限，比H+/H2的氧化还原电位(0V)更负； • 价电子带的上限，比O2/H2O的电位(1.23eV)更正； • 电子－正孔对的再结合要足够缓慢； • 光照射不溶解。
• 表面反应速度慢—— 微细化，多孔化 • 电子/正孔对再结合——氧化－还原位置的分离 • 反应中间体的逆反应——H2生成助催化
• 食盐电解；天然气及乙醇等的水蒸气改 性等；
• 通过光催化剂，利用太阳能，分解水制 氢气；
太阳能光催化制氢
• 氢气的生成反应与太阳能电池的电解类 似，由于在催化剂表面直接供给电子， 与电解相比，电能的损耗少，从而光催 化的效率高。
太阳光谱的波长与强度
光催化剂
• 光照射引起催化作用的物质 通过适当波长的光进行照射，催化
Ultraviolet-Visible Spectrophotometer (UV-VIS)
• 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
Na2S水溶液中的离子平衡
s- ZnS-Zn微粒子
• 具有微胶囊 (Micro-Capsule) 和层状 (straitified)结构；
• Na2S溶液中具有很高的光催化活性。
s- ZnS-Zn微粒子的制备
1.Z硫nO化(高，纯白色99Z.9n9O9粒%)子，变在成N淡a2S黄水色溶，液得中到进s行-Zn表S面ZnO微粒；
2.s用-Z5n0S0-wZn水O银微灯粒进，行在照Na射2S，水淡溶黄液色中微边粒搅逐拌步，变边成 灰色，成为s-ZnS-Zn-ZnO微粒；
3.s-ZnS-Zn-ZnO微粒，进行HCl处理，除去内部 残留的ZnO。pH=2时，ZnS不溶，只溶解ZnO。 得到s-ZnS-Zn微粒。
4.不经过第二步，可制备出层状s-ZnS。
实 验 装 置 实 物
光催化效果
• 光催化录像1
氢能源
• 1870年的科幻小说中第一次提及，当时 提及的月球旅行、海底旅行、机器人等 现在已经实现，水产生氢能源在本世纪 有望成为现实；
• 特征：取之不尽；绿色清洁；便于储存； 使用方便，即可作为汽车燃料，也可通 过燃料电池直接转化为电能。
水分解制氢气
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
催化剂的能带
1.催化剂的能带大于水的电解 电压（理论值1.23V);
2.传导带的电子具有还原性， 价电子带的正孔具有氧化能力。
3.传导带的下端应比氢气生成 电位更负，价电子带的上端应比氧 气生成电位更正。
TiO2的能带为3.0eV，需要比其能量 更大的413nm以下紫外线光照射。
水分解光催化的基本条件