光催化制氢材料68页PPT
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光催化原理PPT课件
此时吸附在纳米颗 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。
12
第三步
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。
化学与药学院.
二氧化钛的光催化原理
半导体的光吸收阈值与带隙的关系：
K=1240/Eg(eV)
因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。
11
化学与药学院.
光催化原理
第一步
当光子能量高于半 导体吸收阈值的光 照射半导体时,半导 体的价带电子发生 带间跃迁,即从价带 跃迁到导带,从而产 生光生电子(e-)和 空穴(h+)。
第二步
E=hC/λ 所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。
❖有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳 米光触媒采用锐钛型的原因。
16
化学与药学院.
光催化应用技术
❖ 光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有 的氧化还原能力而净化污染物。
❖ 光催化净化技术的特点：半导体光催化剂化学性质稳
光催化的基本知识
化学与药学院 马永超
1
.
主要内容
光催化剂的定义 光催化起源
光催化材料 光催化的原理 光催化的应用
2
.
催化剂是加速化学反应速率的化学物质， 其本身并不参与反应。
光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的 化学物质的统称。
3
化学与药学院.
光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
4
反应体系的相态
普通的二氧化钛一般称为体相半导体，这是与纳米二氧化钛 相区别的。
12
第三步
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。
化学与药学院.
二氧化钛的光催化原理
半导体的光吸收阈值与带隙的关系：
K=1240/Eg(eV)
因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。
11
化学与药学院.
光催化原理
第一步
当光子能量高于半 导体吸收阈值的光 照射半导体时,半导 体的价带电子发生 带间跃迁,即从价带 跃迁到导带,从而产 生光生电子(e-)和 空穴(h+)。
第二步
E=hC/λ 所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。
❖有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳 米光触媒采用锐钛型的原因。
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化学与药学院.
光催化应用技术
❖ 光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有 的氧化还原能力而净化污染物。
❖ 光催化净化技术的特点：半导体光催化剂化学性质稳
光催化的基本知识
化学与药学院 马永超
1
.
主要内容
光催化剂的定义 光催化起源
光催化材料 光催化的原理 光催化的应用
2
.
催化剂是加速化学反应速率的化学物质， 其本身并不参与反应。
光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的 化学物质的统称。
3
化学与药学院.
光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
4
反应体系的相态
普通的二氧化钛一般称为体相半导体，这是与纳米二氧化钛 相区别的。
光辅助电解水制氢ppt课件
5
电解水制氢电极的研究—析氢阴极材料
析氢电极
提高电极析氢的活性,主要应从以下几点入手:
化学稳定性、电催化活性、电子导电性
电极的催化活性主要受限于以下的两个因素:
a.能量的因素:反应粒子与催化剂(包括了反应产物与中间粒 子)，它们之间的作用通常会控制活化能与能量变化。即在催化 剂的参与下如何控制并降低活化能，对于电解水制氢的这个过程 而言,电极材料本身的电化学性质往往会对析氢效率起到决定性 的作用。
Ni片上组装TiO2纳米管阵列和 TiO2/ZnO 纳米棒阵列膜 光催化辅助电解水制氢研究
1
目录
1
电解水制氢
2
光解水制氢
3
光催化辅助电解水制氢
水制氢电极的研究—析氧阳极材料
目前析氧阳极材料主要有：
（1）金属与合金材料：除贵金属以外，以钻、镐、铌、镍等金属具有较高的析氧 催化活性。其中以镍的应用最广。Ni在碱性介质中具有很好的耐腐蚀性,价格也相 对便宜,同时在金属元素中镍的析氧过电位不太高,并有当高的析氧效率,所以镍被 广泛用作为碱性水电解阳极材料。合金电极中,有Ni-Fe,Ni-Co合金等。 （2）贵金属氧化物：如RuO2（二氧化钌）、RhO2（二氧化铑）、IrO2（二氧化 铱）等都具有较好的析氧催化活性，但由于这些氧化物在碱性介质中耐腐蚀性较 差,而且更适用于酸性介质,但最主要的是价格昂贵。 （3）Co3O4氧化物，AB2O4型尖晶石型氧化物（如NiCo2O4），ABO3钙钦矿型 氧化物。 （4）复合镀层膜电极：金属氧化物粉末复合镀层电极主要是用来制备性能优异的 电极材料。
15
光催化辅助电解水制氢阳极上的光催化剂膜
层层组装Ni片过程 将生长了ZnO纳米棒阵列的Ni 片基板先后浸渍在TiO2前躯体溶 胶、乙醇溶液、水溶液、乙醇溶液 中,进行ZnO表面层层组装TiO2(如 图所示),每个步骤浸渍时间分别是 10s,层层自组装循环过程重复10 次。将涂覆了TiO2前躯体的ZnO纳 米棒阵列于350℃下保温lh,得到 TiO2/ZnO纳米棒阵列修饰的Ni 片。采用10mmol/L的Ti4CI。稀溶 液对TiO2/ZnO纳米棒阵列修饰的 Ni片进行刻蚀,然后以2℃/min的升 温速率加热到500℃并保温lh,便得 到了TiO2纳米管阵列修饰的Ni片。
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-
光催化分解水制氢ppt课件
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
纳米材料
Si, GaAs, GaP, CdS,ZnO(unstable） AMWO6(A=Rb,Cs;M=Nb,Ta) SrTiO3, BaTi4O9 K4Nb6O17, K2La2Ti3O10,MTaO3, ZrO2, Ta2O5, TiO2(3.2eV), SnO2(3.6eV), Fe2O3(2.1-
Energy diagram of a PEC cell for the photoelectrolysis of water. The cell is based on
an n-type semiconducting photo-anode.
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
In a•dTdrainstitiioonnm,etal the high rate of electron–
hole• Nobrleemceotaml bination on resul• Ntosn-metalin a low photo• Sceamti-acolnydsucitosr combination
Doping atoms Ru,Eu,
2021年4月5日星期一
氢的主要来源
电解水制氢（商业化电解水的效率~85%） 热化学法分解水制氢 石油产品催化重整制氢 生物质原料催化重整制氢 生物制氢 硫化氢裂解制氢 光催化分解水制氢
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
纳米材料
Si, GaAs, GaP, CdS,ZnO(unstable） AMWO6(A=Rb,Cs;M=Nb,Ta) SrTiO3, BaTi4O9 K4Nb6O17, K2La2Ti3O10,MTaO3, ZrO2, Ta2O5, TiO2(3.2eV), SnO2(3.6eV), Fe2O3(2.1-
Energy diagram of a PEC cell for the photoelectrolysis of water. The cell is based on
an n-type semiconducting photo-anode.
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
In a•dTdrainstitiioonnm,etal the high rate of electron–
hole• Nobrleemceotaml bination on resul• Ntosn-metalin a low photo• Sceamti-acolnydsucitosr combination
Doping atoms Ru,Eu,
2021年4月5日星期一
氢的主要来源
电解水制氢（商业化电解水的效率~85%） 热化学法分解水制氢 石油产品催化重整制氢 生物质原料催化重整制氢 生物制氢 硫化氢裂解制氢 光催化分解水制氢
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
太阳能光电催化降解有机污染物耦合制氢-PPT课件
2 研究现状
• 光电催化的基本原理和特点 • 纳米TiO2颗粒有良好的量子效应，其禁带宽度(Eg )为3. 2 eV，波长小于387 nm的紫外光照射后，价带(VB )的电子吸 收光子的能量被激发到导带(CB) 。在导带、价带分别产生 光生电子和空穴，这些载流子易复合而释放光或热，没有 复合的光生电子和空穴使TiO2表现出光催化性能。 • Ti02+hv e—+h+ (l一l) • e—+h+ 光或热 (l一2)
选题背景
• 为了解决能源问题和环境问题
• 更好地充分利用太阳能，提高光催化分解水的效 率
• 探索高效、廉价的废水资源化处理的绿色处理技 术 • 探索合成高效、稳定的复合二氧化钛纳米管技术
• 同时，目前国内外所采用污水生化处理技术对一些难降解 的有机污染物仍然达不到彻底降解的目的。而利用太阳能 光电催化降解废水中的有机污染物，不但可以使废水中的 各种有机污染物彻底降解为H2O和CO2，同时也能够产生H2， 高效地实现了从太阳能到氢能的转变。因此，把利用太阳 能来探求一种高效、廉价的污水处理资源化绿色技术已成 为当今水处理领域研究的热点。
6 可行性分析
• 在利用阳极氧化法非金属掺杂TiO2纳米管制备的过程中
实现了其晶型结构和表面特性的优化，为其更好地发挥光 催化剂的性能奠定了良好的基础。制备好的TiO2纳米管由 于其具有的特殊的外表面结构能够更好地利用太阳光。利 用非金属掺杂能够改变TiO2 的内部结构，其内部结构对太 阳光中的可见光具有较强的吸收能力。同时在光催化体系 中外加电流的作用下，可以使得光生电子迅速流动，产生 电子流，避免了电子和空穴的复合。这样，就可以在光催 化剂中维持较高的空穴浓度，使得光催化剂具有较高的光 催化活性，进而可以提高光催化效率。光催化反应器的合 理设计也会大大促进光催化剂对太阳光的有效利用，提高 光催化产氢效率和光转化效率。
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。
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❖ 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。
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❖ 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。
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❖ 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。
光催化制氢材料PPT课件
带上，实现电子和空穴的分离，从而减少了光生电子和空穴的复合，提
高光催化活性和光吸收范围。
.
23
5、影响光催化效率的主要因素
(3)、受激电子-空穴对存活寿命：
5) 光催化剂表面结构的影响。利用对催化剂的表面修饰来增加其表面的 缺陷结构，增加比表面积，以提高催化剂的光催化活性。表面修饰常 用的方法有：表面酸化、表面孔化、表面还原等途径。
.
24
5、影响光催化效率的主要因素
(4)、逆反应的程度：
H2和O2的逆反应可以通过以下途径进行： 1) 在半导体表面已形成的分子H2和O2，以气泡形式留在催化剂上，当它们
脱离时气泡相互结合产生逆反应；
2) 己进入气相的H2和O2，在催化剂表面上再吸附并反应； 3) 如果半导体负载了某些金属如Pt等，在该催化剂上产生的氢原子，可通
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。 • 因此，探索高效、稳定和经济的可见光响应的光催化材料是光催 化制氢实用化的关键课题之一。
.
21
5、影响光催化效率的主要因素
(2) 催化剂的晶体结构：
• 组成相同、晶相不同的催化剂的光催化活性差别较大，比如锐钛矿
Reformation, SMR )
(2) 天然气热解制氢
碳黑
CH4
裂解炉
H2
甲烷的部分氧化： CH4+O2 → CO(g)+H2(g)
• SMR反应利用有机物高温下与 水的反应，不仅自身脱氢，同时 将水中的氢解放出来。
• 此法也适于生物质制氢。
• 将天然气火焰在裂解炉加热到 1400℃，
• 关闭裂解炉使天然气发生裂解反应， 产生氢气和碳黑。
高光催化活性和光吸收范围。
.
23
5、影响光催化效率的主要因素
(3)、受激电子-空穴对存活寿命：
5) 光催化剂表面结构的影响。利用对催化剂的表面修饰来增加其表面的 缺陷结构，增加比表面积，以提高催化剂的光催化活性。表面修饰常 用的方法有：表面酸化、表面孔化、表面还原等途径。
.
24
5、影响光催化效率的主要因素
(4)、逆反应的程度：
H2和O2的逆反应可以通过以下途径进行： 1) 在半导体表面已形成的分子H2和O2，以气泡形式留在催化剂上，当它们
脱离时气泡相互结合产生逆反应；
2) 己进入气相的H2和O2，在催化剂表面上再吸附并反应； 3) 如果半导体负载了某些金属如Pt等，在该催化剂上产生的氢原子，可通
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。 • 因此，探索高效、稳定和经济的可见光响应的光催化材料是光催 化制氢实用化的关键课题之一。
.
21
5、影响光催化效率的主要因素
(2) 催化剂的晶体结构：
• 组成相同、晶相不同的催化剂的光催化活性差别较大，比如锐钛矿
Reformation, SMR )
(2) 天然气热解制氢
碳黑
CH4
裂解炉
H2
甲烷的部分氧化： CH4+O2 → CO(g)+H2(g)
• SMR反应利用有机物高温下与 水的反应，不仅自身脱氢，同时 将水中的氢解放出来。
• 此法也适于生物质制氢。
• 将天然气火焰在裂解炉加热到 1400℃，
• 关闭裂解炉使天然气发生裂解反应， 产生氢气和碳黑。
(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。
环境光催化材料与光催化净化技术PPT课件
3.超氧自由基
超氧自由基可以用DMPO捕获并通过顺磁共振检测。超氧自由基O2•—不稳定， 可以通过歧化反应生成O2和H2O2，因此需要在有机溶剂如甲醇的溶液中进行捕获 和检测。超氧自由基的光催化氧化反应的作用主要在于：与有机的过氧自由基反 应完全矿化有机污染物、歧化反应生成和H2O2、抗菌活性以及与捕获空穴反应形 成另一种强氧化剂单线态氧102。
锌(Zn）
抑制 稍微抑制
铜 (Cu）
促进
最佳掺比量及温度 元素价态
光催化活性影响
1mol% 600℃
La3+
抑制金红石相成核长大，提 高氧空位和缺陷浓度。
3mol% 600℃ 3mol% 500℃
Ce4+、 Ce3+
Zn2+
抑制晶粒生长及相变发生， 提高氧空位和缺陷浓度， Ce4+易捕获光生电子。
抑制晶粒生长及相变发生， 提高氧空位和缺陷浓度，
三类 主要 途径
基于电子能带结构设计的光催化剂
基于固溶体结构设计的光催化剂
基于微观结构设计的光催化剂
第19页/共35页
基于电子能带结构设计的光催化剂
基于电子能带结构设计的光催化剂
掺杂
能带调控
实际光催化剂电子结构更加复杂，存在缺陷或氧空位等 都可产生杂质能级，使得响应波长红移，另外表面态在光 电化学中存在能级固定的重要现象。
吸附分 子
吸附分 子
吸附分 子
催化底
吸附分 子
吸附分 子
催化光反应：初始光 激发在吸附分子上
物
吸附分 子
吸附分 子
第2页/共35页
光催化
均相光催化 非均相光催化
非均相光 催化剂
半导体光催 化剂
光催化产氢
光催化产氢光催化光催化产氢原理光催化产氢ppt光催化产氢机理光催化产氢应用光催化性能测试光催化净化空气光催化制氢电催化产氢
Supporting Information
Wiley-VCH 2011
69451 Weinheim, Germany
High Photocurrent in Silicon Photoanodes Catalyzed by Iron Oxide Thin Films for Water Oxidation**
Figure S2. Redrawn plots with dark currents.
S3. IPCE calculation
Measurement conditions were 1.6 V vs. RHE at pH=12 using 10 minutes deposition sample. Initially, photocurrent at each wavelength was measured by a quantum efficiency measurement system(QEX7, PV Measurements) and potentiostat(Reference600, Gamry). Scanning was set to 10 nm step with 5 second measurement. To calculate IPCE, we need reflectance information. Our sample is immersed in electrolyte. Consequently, there are two reflection interfaces, air-to-water and water-to-substrate(Figure S3a). This reflection cannot be directly measured by the spectrometer due to the water environment. Instead, we 4
Supporting Information
Wiley-VCH 2011
69451 Weinheim, Germany
High Photocurrent in Silicon Photoanodes Catalyzed by Iron Oxide Thin Films for Water Oxidation**
Figure S2. Redrawn plots with dark currents.
S3. IPCE calculation
Measurement conditions were 1.6 V vs. RHE at pH=12 using 10 minutes deposition sample. Initially, photocurrent at each wavelength was measured by a quantum efficiency measurement system(QEX7, PV Measurements) and potentiostat(Reference600, Gamry). Scanning was set to 10 nm step with 5 second measurement. To calculate IPCE, we need reflectance information. Our sample is immersed in electrolyte. Consequently, there are two reflection interfaces, air-to-water and water-to-substrate(Figure S3a). This reflection cannot be directly measured by the spectrometer due to the water environment. Instead, we 4
光催化原理PPT课件
光催化的基本知识
化学与药学院 马永超
1
.
主要内容
光催化剂的定义 光催化起源
光催化材料 光催化的原理 光催化的应用
2
.
催化剂是加速化学反应速率的化学物质， 其本身并不参与反应。
光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的 化学物质的统称。
3
化学与药学院.
光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
4
反应体系的相态
E=hC/λ 所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。
❖有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳 米光触媒采用锐钛型的原因。
16
化学与药学院.
光催化应用技术
❖ 光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有 的氧化还原能力而净化污染物。
❖ 光催化净化技术的特点：半导体光催化剂化学性质稳
金红石（ rutile）
化学与药学院.
光催化原理
10
化学与药学院.
半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于 金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带 (ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。
均相催化剂（酸、 碱、可溶性过渡金 属化合物和过氧化 物） 多相催化剂
化学与药学院.
起源
光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术。我 们也可以用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的 天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作 用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合 物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用 于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症治疗，高 效率抗菌等多个前沿领域。
化学与药学院 马永超
1
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主要内容
光催化剂的定义 光催化起源
光催化材料 光催化的原理 光催化的应用
2
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催化剂是加速化学反应速率的化学物质， 其本身并不参与反应。
光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的 化学物质的统称。
3
化学与药学院.
光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
4
反应体系的相态
E=hC/λ 所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。
❖有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳 米光触媒采用锐钛型的原因。
16
化学与药学院.
光催化应用技术
❖ 光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有 的氧化还原能力而净化污染物。
❖ 光催化净化技术的特点：半导体光催化剂化学性质稳
金红石（ rutile）
化学与药学院.
光催化原理
10
化学与药学院.
半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于 金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带 (ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。
均相催化剂（酸、 碱、可溶性过渡金 属化合物和过氧化 物） 多相催化剂
化学与药学院.
起源
光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术。我 们也可以用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的 天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作 用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合 物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用 于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症治疗，高 效率抗菌等多个前沿领域。
光催化制氢材料
全球年产氢： 5000亿Nm3 合成氨：50％ 石油精练：37％ 甲醇合成：8％
化石燃料制氢 占96%
五、制氢技术简介
1、化石燃料制氢 (1) 甲烷重整(Steam Methane Reformation, SMR ) (2) 天然气热解制氢
碳黑
CH4
裂 解 炉
H2
甲烷的部分氧化： CH4+O2 → CO(g)+H2(g)
Water oxidation
六、光催化制氢简介
4、半导体光催化制氢条件
自1972年发现TiO2光解水后，利用太阳光驱动水的劈裂制H2(光解水)技术 被认为是一项长期的、高风险、高回报的战略性研究课题。 为实现太阳光直接驱动水的劈裂，要求光催化材料具有： • 高稳定性、价廉； • 半导体的禁带宽度Eg要大于水的分解电压； • 能带位置要与氢和氧的反应电势相匹配：导带位置要负于氢电极的反 应电势(EH+/H2＋ηc)，使光电子的能量满足析氢反应要求。价带位置 应正于氧电极的反应电势(Vb +ηa)，使光生空穴能够有效地氧化水。
• SMR 反应利用有机物高温下与 水的反应，不仅自身脱氢，同时 将水中的氢解放出来。 • 此法也适于生物质制氢。
• 将天然气火焰在裂解炉加热到 1400℃， • 关闭裂解炉使天然气发生裂解反应， 产生氢气和碳黑。
五、制氢技术简介
(3) 煤汽化：
C(s)+H2O(g)→ CO(g)+H2(g)
1、化石燃料制氢
5、影响光催化效率的主要因素 (4)、逆反应的程度：
H2和O2的逆反应可以通过以下途径进行： 1) 在半导体表面已形成的分子H2和O2，以气泡形式留在催化剂上，当它们 脱离时气泡相互结合产生逆反应； 2) 己进入气相的H2和O2，在催化剂表面上再吸附并反应；
化石燃料制氢 占96%
五、制氢技术简介
1、化石燃料制氢 (1) 甲烷重整(Steam Methane Reformation, SMR ) (2) 天然气热解制氢
碳黑
CH4
裂 解 炉
H2
甲烷的部分氧化： CH4+O2 → CO(g)+H2(g)
Water oxidation
六、光催化制氢简介
4、半导体光催化制氢条件
自1972年发现TiO2光解水后，利用太阳光驱动水的劈裂制H2(光解水)技术 被认为是一项长期的、高风险、高回报的战略性研究课题。 为实现太阳光直接驱动水的劈裂，要求光催化材料具有： • 高稳定性、价廉； • 半导体的禁带宽度Eg要大于水的分解电压； • 能带位置要与氢和氧的反应电势相匹配：导带位置要负于氢电极的反 应电势(EH+/H2＋ηc)，使光电子的能量满足析氢反应要求。价带位置 应正于氧电极的反应电势(Vb +ηa)，使光生空穴能够有效地氧化水。
• SMR 反应利用有机物高温下与 水的反应，不仅自身脱氢，同时 将水中的氢解放出来。 • 此法也适于生物质制氢。
• 将天然气火焰在裂解炉加热到 1400℃， • 关闭裂解炉使天然气发生裂解反应， 产生氢气和碳黑。
五、制氢技术简介
(3) 煤汽化：
C(s)+H2O(g)→ CO(g)+H2(g)
1、化石燃料制氢
5、影响光催化效率的主要因素 (4)、逆反应的程度：
H2和O2的逆反应可以通过以下途径进行： 1) 在半导体表面已形成的分子H2和O2，以气泡形式留在催化剂上，当它们 脱离时气泡相互结合产生逆反应； 2) 己进入气相的H2和O2，在催化剂表面上再吸附并反应；