纳米二氧化钛光催化材料及其应用PPT课件
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纳米二氧化钛的应用与发展讲义(PPT 78页)
气敏性是气体敏感性能的简称，一般指材料某
从尺寸一甲大性烷能，小（氢来如气说电等阻），等发纳）生米在变通化级入，二某而氧气气体敏化（性钛如就的乙是醇用粒，来 径在1～10表性0n示越m这好之种。间变气，化敏的性比程的表度综面，合变性积化能远程还大度包越括于大：普说响通明应气及二敏恢 氧化钛，因复此时间具，有最很佳响大应的温表度，面灵活敏性度，，稳并定以时间其长
紫外线的分类有 UVA、UVB、UVC和UVD。其中UVC 因为波长较短，在大气中就已经被臭氧层给吸收、散 射掉了，所以无法到达地面。UVB的波长居三者之中， 波长仅能达到肌肤的表皮, 它对人体具有红斑作用， 能促进体内矿物质代谢和维生素D的形成，但长期或 过量照射会令皮肤晒黑，并引起红肿脱皮。而波长较
三、纳米TiO2的生产现状 3.1国外纳米TiO2的生产现状
20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主 要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求 量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开 发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米 TiO2打开了市场，使纳米TiO2的生产和需求大大增加， 成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点。
纳米二氧化钛的应用与发展
11级粉体（2）班
赵亚君 资宇宸 钮大祥 丁超 宋伟伟 吴慧芬
一、引言 二、纳米TiO2概述 三、纳米TiO2生产现状 四、纳米TiO2的发展 五、纳米TiO2的应用
一、引言
纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm 的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的 材料。
纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量 子尺寸效应及宏观量子隧道效应使得它们在 电、磁、光、敏感性等方面表现出常规粒子
根据莎哈里本公司统计，2003年全球纳米TiO2销 售量仅为1800t左右，其消费量与产品应用见表1。
纳米TiO2光催化材料及其应用
Pt
Doxidized
光生电子在Pt岛上富集，光生空穴向TiO2晶粒表面迁移，这样形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
离子掺杂的TiO2光催化性能
光敏化原理示意图
CB
VB
h
S0
S1
TiO2
色素或染料
ES1 ﹥ ECB 有光生电流产生
CB
VB
h
S0
S1
技术和材质要求高，工艺复杂，投资大
微乳液法
可有效控制TiO2纳米粉末的尺寸
易团聚
粉体纳米TiO2光催化剂的制备
01
环保方面的应用 卫生保健方面的应用 防结雾和自清洁涂层 光催化化学合成
02
纳米TiO2光催化剂的应用
有机污染物的处理 无机污染物的处理
光催化能够解决Cr6+、Hg2+、Pb2+等重金属子的污染问题
纳米 TiO2光催化材料及其应用
添加副标题
汇报人姓名
光催化技术的发展概况
A.1972年Fujishima和Honda在n-型半导体TiO2电极上发现了水 的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕。 B.1976年Garey用TiO2光催化剂脱除了多氯联苯中的氯，1977年Frank光催化氧化CN-为OCN-，光催化技术在环保方面的应用 研究开始启动。 C.近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的 应用研究发展迅速，纳米光催化成为国际上最活跃的研究领 域之一。
锐钛矿相
金红石相
制备方法
优点
不足
溶胶-凝胶法 （sol-gel）
粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性好
前驱体为钛醇盐，成本高
TiO2光催化氧化技术课件
有机物等优点。 3. 乳状液膜分离：综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的优点，特别
适合于分离水溶液中呈溶解态的有机污染物。 4. 半导体光催化氧化法：
TiO2光催化氧化技术
利用光催化原理处理有机物，不仅可以直接利用太阳能，而且对 有机物的处理比较TiO彻2光催底化氧，化技不术 带来新的污染源
4.2 TiO2光催化氧化技术
TiO2光催化氧化技术
沉淀法
• 普通沉淀法一般以TiCl4、Ti(SO4)2等无机钛盐为原料，用氨 水、(NH4)2CO3、NaCO3或NaOH等碱性物质作为沉淀剂来制备纳 米TiO2粉体。
• 均匀沉淀法则是在溶液中加入某种物质，使之通过溶液中的 化学反应缓慢生成沉淀物来制备粒度均匀纳米TiO2粉体。
TiO2光催化氧化技术
➢光催化技术的发展历史
• 1972年，日本的Fujishima 在半导体TiO2电极上发现了水的光催化 分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
• 1977年，Yokota发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催化活 性，拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新思路。
钛酸丁酯
加入总醇量 2/3的醇
缓慢滴加 1/3醇+水
混合液 抑制剂 均匀混合液
搅拌
滴加盐酸 测pH值
均匀混合液
真空干燥
黄色晶体
(ACAC，HAc)
Sol-Gel 法制备TiO2的 工艺流程
白色纳米TTiiOO2光2催粉化氧末化技术
4.2.3 光催化反应器
光催化反应器的分类
光源不同 流态不同 聚光与否 旋转式 光学纤维束
• 4.1.1.2非均相光催化降解
在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定能 量的光辐射，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴 对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子-空穴作用， 产生·OH等氧化性极强的自由基，再通过与污染物之间的羟 基加合、取代等使污染物全部或接近全部矿化，最终产物为 H2O和CO2及其他离子。
适合于分离水溶液中呈溶解态的有机污染物。 4. 半导体光催化氧化法：
TiO2光催化氧化技术
利用光催化原理处理有机物，不仅可以直接利用太阳能，而且对 有机物的处理比较TiO彻2光催底化氧，化技不术 带来新的污染源
4.2 TiO2光催化氧化技术
TiO2光催化氧化技术
沉淀法
• 普通沉淀法一般以TiCl4、Ti(SO4)2等无机钛盐为原料，用氨 水、(NH4)2CO3、NaCO3或NaOH等碱性物质作为沉淀剂来制备纳 米TiO2粉体。
• 均匀沉淀法则是在溶液中加入某种物质，使之通过溶液中的 化学反应缓慢生成沉淀物来制备粒度均匀纳米TiO2粉体。
TiO2光催化氧化技术
➢光催化技术的发展历史
• 1972年，日本的Fujishima 在半导体TiO2电极上发现了水的光催化 分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
• 1977年，Yokota发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催化活 性，拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新思路。
钛酸丁酯
加入总醇量 2/3的醇
缓慢滴加 1/3醇+水
混合液 抑制剂 均匀混合液
搅拌
滴加盐酸 测pH值
均匀混合液
真空干燥
黄色晶体
(ACAC，HAc)
Sol-Gel 法制备TiO2的 工艺流程
白色纳米TTiiOO2光2催粉化氧末化技术
4.2.3 光催化反应器
光催化反应器的分类
光源不同 流态不同 聚光与否 旋转式 光学纤维束
• 4.1.1.2非均相光催化降解
在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定能 量的光辐射，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴 对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子-空穴作用， 产生·OH等氧化性极强的自由基，再通过与污染物之间的羟 基加合、取代等使污染物全部或接近全部矿化，最终产物为 H2O和CO2及其他离子。
tio2光催化材料课件.
（1）是由量子尺寸效应引起的， 已被电子占据的分子轨道能级与 未被电子占据的分子轨道能级之 间的禁带宽度，由于粒子粒径减 小而增大，使得吸收边蓝移。（2） 是由纳米粒子的表面效应导致， 由于纳米粒子粒径较小，大的表 面张力使晶格发生改变，晶格常 数变小，造成吸收边向短波方向 移动。
（3）量子限域效应 随纳米半导体材料粒径不断减 小，激子浓度越高。在能隙中靠近导带底部形成一 些激子能级并产生激子发光带。
紫外可见漫反射光谱结果表明c掺杂tio在可见光区有很强的吸收带其光吸收限与纯的锐钛矿tioohno等以异丙醇钛和硫脲为原料先在乙醇溶液中水解再通过减压蒸发除去乙醇然后在不同的温度下热处理得到黄色的s掺杂tio粉体光谱分析结果表明s掺杂tio光催化剂在可见光区具有吸收效应xps分析结果表明s元素是以s的晶格臵换了一些ti离子的位臵通过对2丙醇和金刚烷的光催化降解发现s掺杂tio光催化剂在波长大于440nm的可见光下具有良好的光催化活性
从右图可以看出，TiO2粒径 越小，光量子产率提高，光 吸收边界蓝移，尤其当粒径 小于10nm时，光量子产率迅 速提高
1.4. 3 TiO2表面特性的影响
TiO2表面积大则吸附量大，活性就高。另外，表面的粗糙程 度、表面的结晶度、表面的羟基等也影响着表面的吸附和电 子空穴的复合，进而影响催化剂的活性。TiO2表面钛羟基 （TiOH）结构在光催化过程中起着重要作用，TiO2光催化活 性和表面Ti3+数量有关，如果Ti3+数量增加，光催化活性就提 高了。
金红石结构中TiO6八面体以共边的方式连接成八面体链，八 面体链之间则是以共点的方式连接成三维网状结构的。
TiO6八面体连接示意图
1.3.2 TiO2的能带结构
半导体光催化 作用的机理是以 能带结构为基础 的。对于光催化 活性的半导体有 着特殊的电子结 构，即能带结构。 常见半导体的能 带结构如右图所 示
（3）量子限域效应 随纳米半导体材料粒径不断减 小，激子浓度越高。在能隙中靠近导带底部形成一 些激子能级并产生激子发光带。
紫外可见漫反射光谱结果表明c掺杂tio在可见光区有很强的吸收带其光吸收限与纯的锐钛矿tioohno等以异丙醇钛和硫脲为原料先在乙醇溶液中水解再通过减压蒸发除去乙醇然后在不同的温度下热处理得到黄色的s掺杂tio粉体光谱分析结果表明s掺杂tio光催化剂在可见光区具有吸收效应xps分析结果表明s元素是以s的晶格臵换了一些ti离子的位臵通过对2丙醇和金刚烷的光催化降解发现s掺杂tio光催化剂在波长大于440nm的可见光下具有良好的光催化活性
从右图可以看出，TiO2粒径 越小，光量子产率提高，光 吸收边界蓝移，尤其当粒径 小于10nm时，光量子产率迅 速提高
1.4. 3 TiO2表面特性的影响
TiO2表面积大则吸附量大，活性就高。另外，表面的粗糙程 度、表面的结晶度、表面的羟基等也影响着表面的吸附和电 子空穴的复合，进而影响催化剂的活性。TiO2表面钛羟基 （TiOH）结构在光催化过程中起着重要作用，TiO2光催化活 性和表面Ti3+数量有关，如果Ti3+数量增加，光催化活性就提 高了。
金红石结构中TiO6八面体以共边的方式连接成八面体链，八 面体链之间则是以共点的方式连接成三维网状结构的。
TiO6八面体连接示意图
1.3.2 TiO2的能带结构
半导体光催化 作用的机理是以 能带结构为基础 的。对于光催化 活性的半导体有 着特殊的电子结 构，即能带结构。 常见半导体的能 带结构如右图所 示
纳米TiO2
添加了具有光催化活性的纳米TiO2的环保涂料，已应用于环境空气净 化，并扩展到室内的卫生保健，应用领域正在不断扩大。
精选完整ppt课件
19
2.3.1 光催化环保涂料
纳米TiO2氟碳涂料光照过程产生的羟基与生物大分子（如脂类、蛋白 质、酶以及核酸）通过一系列氧化链式反应对生物细胞结构引起广泛 的损伤性破坏，攻击有机物的不饱和键或抽取氢原子，使细菌蛋白质 变异或脂类分解（多肽链断裂和糖类解聚），将细胞质中的原生质活 酶破坏，以此杀灭细菌使之分解，赋予涂料很强的杀菌抑菌功能，对 空气中细菌、霉菌、发臭有机物等有净化的作用；有长期的防霉防藻 效果，强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力；疏水性极佳，容易清洗涂 层表面的污物。
(5)含汞废水的处理：同六价铬还原相似，无机汞离子从半导体导带 到电子而被还原到零价汞。
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15
2.2.3. 对室内空气中污染物的降解
纳米TiO2光催化技术在清除挥发性有机物上(VOC)具有独到之处，能 将许多难于用其他方法降解的污染物最终达到无机化，一般生成二氧 化碳和水，以及相应的化合物。
(4)毛纺染整废水处理：把表面涂覆有纳米TiO2膜的玻璃填料填充于 玻璃反应器中，毛纺染整废水在反应器内循环进行光催化氧化处理。
(5)印染废水处理
精选完整ppt课件
14
2.2.2. 降解水中无机污染物
(1)含铬废水的处理：用TiO2掺杂Pb 2+作为吸附剂，利用TiO2薄膜在光 催化下使Cr6+转化成Cr3+，去除率为99．5％。
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7
1.3.3 TiCl4水解法
TiCl4水解法就是以TiCl4为原料，以碱为催化剂，得到 Ti02的水合物，然后经过离心、洗涤、干燥和煅烧即可得 到纳米二氧化钛。
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19
2.3.1 光催化环保涂料
纳米TiO2氟碳涂料光照过程产生的羟基与生物大分子（如脂类、蛋白 质、酶以及核酸）通过一系列氧化链式反应对生物细胞结构引起广泛 的损伤性破坏，攻击有机物的不饱和键或抽取氢原子，使细菌蛋白质 变异或脂类分解（多肽链断裂和糖类解聚），将细胞质中的原生质活 酶破坏，以此杀灭细菌使之分解，赋予涂料很强的杀菌抑菌功能，对 空气中细菌、霉菌、发臭有机物等有净化的作用；有长期的防霉防藻 效果，强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力；疏水性极佳，容易清洗涂 层表面的污物。
(5)含汞废水的处理：同六价铬还原相似，无机汞离子从半导体导带 到电子而被还原到零价汞。
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2.2.3. 对室内空气中污染物的降解
纳米TiO2光催化技术在清除挥发性有机物上(VOC)具有独到之处，能 将许多难于用其他方法降解的污染物最终达到无机化，一般生成二氧 化碳和水，以及相应的化合物。
(4)毛纺染整废水处理：把表面涂覆有纳米TiO2膜的玻璃填料填充于 玻璃反应器中，毛纺染整废水在反应器内循环进行光催化氧化处理。
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2.2.2. 降解水中无机污染物
(1)含铬废水的处理：用TiO2掺杂Pb 2+作为吸附剂，利用TiO2薄膜在光 催化下使Cr6+转化成Cr3+，去除率为99．5％。
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7
1.3.3 TiCl4水解法
TiCl4水解法就是以TiCl4为原料，以碱为催化剂，得到 Ti02的水合物，然后经过离心、洗涤、干燥和煅烧即可得 到纳米二氧化钛。
第四章纳米氧化钛光催化材料及应用 1
新制锐钛矿TiO2 胶体吸收带边359nm，陈化后，粒子增大，吸收带1）量子尺寸效应：已被电子占据分子轨道能级和未被电子占据的 分子轨道之间的禁带宽度（能隙），由于粒子粒经减少而增大，，使吸 收边向短波方向移动。 （2）表面效应：纳米粒子小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数 变小。
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
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。
（3）量子尺寸效应
粒子尺寸降低到某一值时，金属费米附近的电子能级由 准连续变为离散，半导体微粒中存在不连续的最高占据 分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽， 以及由此导致的不同于宏观物体的光、电和超导等性质。
如CdS的量子尺寸为5～6nm，PbS的量子尺寸为18nm， TiO2粒径小于10nm，有明显量子尺寸效应，锐钛矿相粒 径为3.8nm时，其量子产率是粒径为53nm的27.2倍。
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
1 Si
2 ZnS
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
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。
（3）量子尺寸效应
粒子尺寸降低到某一值时，金属费米附近的电子能级由 准连续变为离散，半导体微粒中存在不连续的最高占据 分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽， 以及由此导致的不同于宏观物体的光、电和超导等性质。
如CdS的量子尺寸为5～6nm，PbS的量子尺寸为18nm， TiO2粒径小于10nm，有明显量子尺寸效应，锐钛矿相粒 径为3.8nm时，其量子产率是粒径为53nm的27.2倍。
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
1 Si
2 ZnS
光催化剂二氧化钛ppt课件
焙烧温度的影响
通常情况下，焙烧温度的提高会导致催化活性的降低，
因为焙烧温度会对TiO2的表面产生影响。随着焙烧温度的 提高，比表面积减少，表面吸附量有明显的减少趋势，并
且焙烧温度升高到一定程度时会引起锐钦矿型TiO2向金红 石型TiO2转变，这是导致其光催化性能下降的主要原因。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的，是 时间的 函数，随时间 的推移 而增值，其增值 的这部 分资金 就是原 有资金 的时间 价值
具体来说: 在光照下，如果光子的能量大于半导体禁带宽度，其 价带上的电子（e-）就会被激发到导带上，同时在价 带上产生空穴（h+）。激发态的导带电子和价带空穴 又能重新合并，并产生热能或其他形式散发掉。当催 化剂存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时， 电子和空穴的复合得到抑制，就会在催化剂表面发生 氧化—还原反应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电 子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，一般与 表面吸附的H2O，O2反应生成氧化性很活波的羟基自 由基（•OH）和超氧离子自由基（•O2-）。能够把各 种有机物氧化直接氧化成CO2、H2O等无机小分子，而 且因为他们的氧化能力强，使一般的氧化反应一般不 停留在中间步骤，不产生中间产物。
HO·能与电子给体作用，将之氧化， 矿能够与电子受体作用将之还原， 同时h+也能够直接与有机物作用将 之氧化：
化多种有机物并使之矿化，通常认为
是光催化反应体系中主要的氧化剂。
光生电子也能够与O2发生作用生成 HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧 自由基也能参与氧化还原反应。该过
程可用如下反应式表示：
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的，是 时间的 函数，随时间 的推移 而增值，其增值 的这部 分资金 就是原 有资金 的时间 价值
纳米二氧化钛涂料ppt课件
末 对各种波长光的吸 收带有宽化和蓝移 现象的特点。
这一性能可以也应 用到防紫外线化妆 品(UV )
新型汽车TiO2涂料应用
纳米TiO2粒子添加 在轿车用金属闪光 面漆中,能使涂层产 生丰富而神秘的色 彩效果。纳米粒子 除提高轿车漆装饰 效果外,由于其具有 吸收紫外线的效应, 可明显提高轿车漆 的耐候性。
纳米二氧化钛用于造纸填料
纳米二氧化钛作为纸张填料，主要用 在高级纸张和薄型纸张中，用纳米TiO2作 填料的纸张更均匀、平整，吸油值高。此 外将纳米TiO2添加到化学纤维中，可以制 成耐光的亚光高白纸，以及色彩鲜艳的有 色纸，并且可以达到抗紫外线的效果。
纳
纳米二氧化钛涂料的简介
米
二
氧
化
纳米二氧化钛涂料的性能
谢谢大家！
1、降解室内外空气的有害有机物。 2、处理石油污。 3、降解农药。 4、抗菌作用。
纳米二氧化钛作为太阳能电池光 电极材料
由于太阳能电池的良好的应用价值。使 其研究越来越受到科研人员的重视。纳米 TiO2半导体用于太阳能电极材料的优势在 于其具有较大的禁带宽度和稳定的耐光腐 蚀性。
研究人员通过各种方式例如半导体复 合掺杂、过渡金属离子掺杂、非金属离子 掺杂、导电高聚物掺杂以及贵金属沉积掺 杂等方式，扩展其对可见光的吸收范围， 提高光电转换效率，使纳米TiO2太阳能得 到广泛开发和应用。
用于抗菌型陶瓷品， 该产品在光照射下 能完全杀死表面细 菌；其在微弱光下 亦有抗菌性能。
纳米二氧化钛涂料在玻璃的应用
具有自洁、易清洗、抗菌、除臭、防污、防雾 等功能
纳米二氧化钛涂料油墨的应用
无毒无害，与涂料、油漆、油墨原料有极好的相 容性。
造纸工业中，能提高易打印性和不渗透性。
这一性能可以也应 用到防紫外线化妆 品(UV )
新型汽车TiO2涂料应用
纳米TiO2粒子添加 在轿车用金属闪光 面漆中,能使涂层产 生丰富而神秘的色 彩效果。纳米粒子 除提高轿车漆装饰 效果外,由于其具有 吸收紫外线的效应, 可明显提高轿车漆 的耐候性。
纳米二氧化钛用于造纸填料
纳米二氧化钛作为纸张填料，主要用 在高级纸张和薄型纸张中，用纳米TiO2作 填料的纸张更均匀、平整，吸油值高。此 外将纳米TiO2添加到化学纤维中，可以制 成耐光的亚光高白纸，以及色彩鲜艳的有 色纸，并且可以达到抗紫外线的效果。
纳
纳米二氧化钛涂料的简介
米
二
氧
化
纳米二氧化钛涂料的性能
谢谢大家！
1、降解室内外空气的有害有机物。 2、处理石油污。 3、降解农药。 4、抗菌作用。
纳米二氧化钛作为太阳能电池光 电极材料
由于太阳能电池的良好的应用价值。使 其研究越来越受到科研人员的重视。纳米 TiO2半导体用于太阳能电极材料的优势在 于其具有较大的禁带宽度和稳定的耐光腐 蚀性。
研究人员通过各种方式例如半导体复 合掺杂、过渡金属离子掺杂、非金属离子 掺杂、导电高聚物掺杂以及贵金属沉积掺 杂等方式，扩展其对可见光的吸收范围， 提高光电转换效率，使纳米TiO2太阳能得 到广泛开发和应用。
用于抗菌型陶瓷品， 该产品在光照射下 能完全杀死表面细 菌；其在微弱光下 亦有抗菌性能。
纳米二氧化钛涂料在玻璃的应用
具有自洁、易清洗、抗菌、除臭、防污、防雾 等功能
纳米二氧化钛涂料油墨的应用
无毒无害，与涂料、油漆、油墨原料有极好的相 容性。
造纸工业中，能提高易打印性和不渗透性。
半导体光催化基础-第四章-纳米二氧化钛PPT课件
第四章 纳米半导体与 纳米二氧化钛
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。
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。
纳米TiO2光催化材料及其应用
在光电转换效率提高方面的应用实例
太阳能电池：纳米 TiO2光催化材料 可以提高太阳能电 池的光电转换效率
光电探测器：纳米 TiO2光催化材料 可以提高光电探测 器的灵敏度和响应 速度
光催化反应：纳米 TiO2光催化材料 可以提高光催化反 应的效率和选择性
光催化降解：纳米 TiO2光催化材料 可以提高光催化降 解污染物的效率和 选择性
纳米TiO2光催化材 料及其应用
,
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目录 /目录
01
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04
纳米TiO2光催 化材料的应用 领域
02
纳米TiO2光催 化材料的特性
05
纳米TiO2光催 化材料的应用 实例
03
纳米TiO2光催 化材料的制备 方法
06
纳米TiO2光催 化材料的发展 前景与挑战
01 添加章节标题
理效率
纳米TiO2光催 化材料可以应 用于家庭净水 器提高家庭用
水质量
纳米TiO2光催 化材料可以应 用于农业灌溉 提高灌溉水质 促进农作物生
长
在空气净化方面的应用实例
纳米TiO2光催化材料可以分解空气中的有害气体如甲醛、苯等 纳米TiO2光催化材料可以杀灭空气中的细菌和病毒提高室内空气质量 纳米TiO2光催化材料可以降解空气中的PM2.5等颗粒物降低空气污染程度 纳米TiO2光催化材料可以消除空气中的异味如烟味、宠物异味等
04
纳米TiO2光催化材料 的应用领域
水处理
光催化降解水中的有机物和 微生物
光催化氧化水中的污染物和 重金属
光催化净化水中的异味和颜 色
纳米TiO2光催化材料在水处 理中的应用
光催化处理废水和污水实现 水资源的循环利用
纳米二氧化钛光催化材料及其应用PPT资料(正式版)
Ø 室内环境净化
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)
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)
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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)
-1.5 -1.0 -0.5
GaAs CdS (n,p) (n)
ZnO (n)
0 △E=1.4eV
+0.5 +1.0 +1.5 +2.0
2.5eV 3.2eV
+2.5 +3.0 +3.5 +4.0
➢表面积效应
随着粒子尺寸减小到纳米级，光催化剂的比表面积大大增加，对底 物的吸附能力增强
➢载流子扩散效应
粒径越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子和空穴 的复合几率减小，光催化效率提高
TiO2光催化材料的特性
➢ 光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带 之间的能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化 性强）
纳米 TiO2光催化材料及其应用
光催化技术的发展概况
A.1972年Fujishima和Honda在n-型半导体TiO2电极上发现 了水
的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕。
B.1976年Garey用TiO2光催化剂脱除了多氯联苯中的氯， 1977年Frank光催化氧化CN-为OCN-，光催化技术在环保方面 的应用 研究开始启动。
WO3 (n)
3.2eV
SnO2 (n)
3.8eV
TiO2 -1.0 (n)
0 +1.0
3.2eV +2.0 +3.0
+4.0
-2H+/H2
--Cl2/2Cl-(1.40eV) --O3/O2+H2O(2.07) --F2/2F-(2.87)
光催化剂的纳米尺寸效应
➢量子效应
当半导体粒径小于某一纳米尺寸时，导带和价带间的能隙变宽，光 生电子和空穴的能量增加，氧化还原能力增强
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+
0.2eV CB/e-
两者的价带位置相同，光生空穴具有相同的氧 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
混晶效应：锐钛矿相与金红石相混晶具有更高
光催化活性，这是因为在混晶氧化钛中，锐钛
矿表面形成金红石薄层，这种包覆型复合结构
VB/h+ 能有效地提高电子－空穴对的分离效率
锐钛矿相
金红石相
粉体纳米TiO2光催化剂的制备
制备方法 溶胶-凝胶法 （sol-gel）
水热合成法
优点
不足
粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿 前驱体为钛醇盐，成
型，纯度高，热稳定性好
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
紫外
CO32-，NO32-，NH4+，PO43-，F- 等
紫外，太阳光
本高
晶粒完整，粒径小，分布均匀， 反应条件为高温、高 原料要求不高，成本相对较低 压，材质要求高
化学气相沉积法 粒径小，分散性好，分布窄，化 技术和材质要求高，
（CVD）
学活性高，可连续生产
工艺复杂，投资大
微乳液法 可有效控制TiO2纳米粉末的尺寸
易团聚
纳米TiO2光催化剂的应用
➢ 环保方面的应用 ➢ 卫生保健方面的应用 ➢ 防结雾和自清洁涂层 ➢ 光催化化学合成
➢在窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表面涂 覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛在太阳光照射下产生的强氧化能 力和超亲水性，可以实现表面自清洁
有机污垢
无机污垢
CO2 H2O
TiO光催化不仅可分解破坏有机物，在适当条件下还能用 来合成一些有机物。如在非水溶剂中，苯乙烯光催化聚合 生成聚苯乙烯
C.近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的 应用研究发展迅速，纳米光催化成为国际上最活跃的研究领 域之一。
光催化机理
D Doxidized
Eg Dads
Conduction band
A -
Aads
h
Areduced
band gap
+ Valence band
semiconductor particle
Cl-，PO43-，CO2
纳米TiO2光催化绿色涂料对室内氨气等的降解
测试条件 气体浓度
放入涂料板前 一天
放入涂料板后 两天 五天 七天
去除效率 （%）
氨气（mg/m3) 1.93 0.60 0.32 0.22 0.18 91
甲醛（mg/m3) 0.90 0.43 0.21 0.13 0.07 92
➢ 无机反应
H2O(l)
h
PC
H2+1/2O2
N2(g)+3H2 h 2NH3
PC
纳米TiO2光催化技术的不足
➢ 光致电子和空穴对的转移速度慢，复合率高，导致光
催化量子效率低
➢ 只能用紫外光活化，太阳光利用率低 ➢ 粉末状TiO2在使用过程中存在分离、回收困难等问题
提高TiO2光催化性能的主要途径
环保方面的应用
➢ 有机污染物的处理 ➢ 无机污染物的处理
1. 光催化能够解决Cr6+、Hg2+、Pb2+等重金属子的污染问题 2. 光催化还可分解转化其它无机污染物，如CN-、NO2-、H2S、 SO2, NOx等
➢ 室内环境净化
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
苯（mg/m3) 0.86 0.64 0.25 0.15 0.05 94
卫生保健方面的应用
➢ 灭杀细菌和病毒
可以用于生活用水的的杀菌消毒；负载TiO2 光催化剂的玻璃、 陶瓷等是医院、宾馆、家庭等各种卫生设施抗菌除臭的理想材料
➢ 使某些致癌细胞失活
防结雾和自清洁涂层方面的应用
➢在紫外光照射下，水在氧化钛薄膜上完全浸润。因此，在浴室 镜面、汽车玻璃及后视镜等表面涂覆一层氧化钛可以起到防结雾 的作用
➢ 化学性质稳定(耐酸碱和光化学腐蚀),对生物无 毒
➢ 在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜 ➢ 原料来源丰富
纳米TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂
二氧化钛晶体的基本物性
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
➢贵金属沉积
➢离子掺杂
➢添加适当的有机染料敏化剂 ➢采用复合半导体