半导体光催化研究进展
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Wavelength/nm
R. Asahi et al., Science, 2001, 293: 269
窄带隙半导体纳米粒子复合
e-
CB
CdS
hν 2.4 eV
CB
VB
h+ D
3.2 eV
VB
D
＋
CdS—TiO 2 体系
H2O
H2
TiO2 layer
增大了电荷分离，提高光催化反应效率
NiO/NaTaO3 和 NiO/NaTaO3(La)
H2O TiO2 H2 + O2
A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238: 37
Schematic illustration of photocatalytic water splitting
H2O H2 + 1/2O2 G0 = 238 kJ/mol (E = -Go/nF = -1.23 eV)
surface
recombination
-++
hv
-
导带
-
-
-
-
hv Eg
+
价带 + + ++
The studies on carrier dynamics
A-
+
D
are important for understanding the
C
B
D+ mechanisms of
photocatalysis on
亚洲最大的风力发电站－新疆达板城发电站
三峡大坝水利工程
核电站
地热能、潮汐能、海水温差能、盐差能 等的利用前景有限
太阳能：清洁、可再生、丰富 每年照射到地球的太阳光的能量约是目
前全球每年能源消耗总量的12000倍
缺点： 能量密度低，不稳定
人类的目标：合理、经济、高效的利用太阳能
太阳能热能直接利用，热发电等应用范围有限
200 W Hg 灯
La掺杂的 Ni O /NaTaO3催化剂的扫描电镜 结果表明 , 掺入 La以后催化剂颗粒变小 (0 . 1～0 . 7μm) , 结晶度变高 , 并且具有非常独特的阶梯 形表面结构 .
可见光分解纯水制氢光催化剂
NiOy/In0.9Ni0.1TaO4 and RuO2/In0.9Ni0.1TaO
半导体光催化研究进展
2020年4月22日星期三
背景介绍
主要研究方向及进展
光催化分解水制氢及光催化重整生物质制氢 光催化降解有机污染物 太阳能电池
时间分辨光谱及其在半导体光电材料 性能研究方面的应用
背景介绍
当今人类面临重大挑战 ——能源和环境
中国
煤
煤
其他 其
石油
天然气
世界
煤 其他 其
石油 天然气
V/NHE -1.0
0.0 +1.0 +2.0 +3.0
Conduction band e-
Band gap
h+ Valence band
H+ Water
reduction
H2
H+/H2 Photon energy > band gap
O2/H2O
O2 Water
H2O oxidation
The primary charge carrier dynamics in semiconductor photocatalyst
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
3.0 CdS
H+/H2（E＝0 V）
2.4
O2/H2O（E＝1.23 V）
2.0
3.0
光催化制氢反应装置
加入甲醇牺牲剂
TOMOJI KAWAI* and TADAYOSHI SAKATA*， J.C.S. CHEM. COMM., 1980，694-695
煤
中国和世界的能源结构
能源枯竭 石油：40年，天然气：70年，煤：200
年
环境污染 每年排放的二氧化碳达两百多万吨，并
呈上升趋势，造成全球气候变暖；空气中大量
二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健
康和人类赖以生存的自然环境。
化石能源 + O2
H2O + CO2 + SO2 + NOx
发展新能源：清洁、可再生、供给量大
Current record holders in terms of quantum efficiencies (QEs) are
bulk recombination + -
A-
-
-++
semiconductor photocatalysts
TiO2 particle
D A
硅伏电池原理图
光催化分解水制氢及光催化重整生物质制氢
Evs.SHE(pH=0)/eV
常见半导体材料的能带结构 SiC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
<5% 48%
λ683 1.80eV λ400 3.07eV
设计在可见区内有强吸收的半导体材 料是高效利用太阳能的关键性因素。
Visible-light driven nitrogen doped TiO2
Optical absorption spectrum of TiO2-xNx and TiO2
光催化重整生物质制氢
人们研究发现，Pt-TiO2 对于光催化重 整甲醇、乙醇、异丙醇、甘油、甲醛、甲 酸、乳酸、葡萄糖等制氢均有很高的活性 和稳定性
但是，TiO2 带隙 3.2 eV, 仅能吸收波 长小于390 nm 的紫外光，而太阳光能量 主要集中在可见和红外区
太阳光谱图
UV Visible Infrared
QE < 1%
Zhigang Zou, Jinhua Ye, Kazuhiro Sayama and Hironori Arakawa, Nature 414, 625-627( 2001)
可见光分解纯水制氢光催化剂 Cr-Ru/GaN:ZnO
QE ~2.5%
Kazuhiko Maeda, Kentaro Teramura, Daling Lu, Tsuyoshi Takata, Nobuo Saito, Yasunobu Inoue & Kazunari Domen,Nature 440, 295, 2006
通过半导体光催化反应将太阳能转化为氢源 ——太阳能利用的理想方式
太阳能光伏电池发电 —— 具有重要应用前景
半导体光催化研究热潮的兴起
TiO2 →e- + h+ (charge seperation) 2H2O + 4h+→O2 + 4H+ （TiO2 electrod） 4H+ + 4e- → 2H2 (Pt electrod) (charge transfer)
R. Asahi et al., Science, 2001, 293: 269
窄带隙半导体纳米粒子复合
e-
CB
CdS
hν 2.4 eV
CB
VB
h+ D
3.2 eV
VB
D
＋
CdS—TiO 2 体系
H2O
H2
TiO2 layer
增大了电荷分离，提高光催化反应效率
NiO/NaTaO3 和 NiO/NaTaO3(La)
H2O TiO2 H2 + O2
A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238: 37
Schematic illustration of photocatalytic water splitting
H2O H2 + 1/2O2 G0 = 238 kJ/mol (E = -Go/nF = -1.23 eV)
surface
recombination
-++
hv
-
导带
-
-
-
-
hv Eg
+
价带 + + ++
The studies on carrier dynamics
A-
+
D
are important for understanding the
C
B
D+ mechanisms of
photocatalysis on
亚洲最大的风力发电站－新疆达板城发电站
三峡大坝水利工程
核电站
地热能、潮汐能、海水温差能、盐差能 等的利用前景有限
太阳能：清洁、可再生、丰富 每年照射到地球的太阳光的能量约是目
前全球每年能源消耗总量的12000倍
缺点： 能量密度低，不稳定
人类的目标：合理、经济、高效的利用太阳能
太阳能热能直接利用，热发电等应用范围有限
200 W Hg 灯
La掺杂的 Ni O /NaTaO3催化剂的扫描电镜 结果表明 , 掺入 La以后催化剂颗粒变小 (0 . 1～0 . 7μm) , 结晶度变高 , 并且具有非常独特的阶梯 形表面结构 .
可见光分解纯水制氢光催化剂
NiOy/In0.9Ni0.1TaO4 and RuO2/In0.9Ni0.1TaO
半导体光催化研究进展
2020年4月22日星期三
背景介绍
主要研究方向及进展
光催化分解水制氢及光催化重整生物质制氢 光催化降解有机污染物 太阳能电池
时间分辨光谱及其在半导体光电材料 性能研究方面的应用
背景介绍
当今人类面临重大挑战 ——能源和环境
中国
煤
煤
其他 其
石油
天然气
世界
煤 其他 其
石油 天然气
V/NHE -1.0
0.0 +1.0 +2.0 +3.0
Conduction band e-
Band gap
h+ Valence band
H+ Water
reduction
H2
H+/H2 Photon energy > band gap
O2/H2O
O2 Water
H2O oxidation
The primary charge carrier dynamics in semiconductor photocatalyst
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
3.0 CdS
H+/H2（E＝0 V）
2.4
O2/H2O（E＝1.23 V）
2.0
3.0
光催化制氢反应装置
加入甲醇牺牲剂
TOMOJI KAWAI* and TADAYOSHI SAKATA*， J.C.S. CHEM. COMM., 1980，694-695
煤
中国和世界的能源结构
能源枯竭 石油：40年，天然气：70年，煤：200
年
环境污染 每年排放的二氧化碳达两百多万吨，并
呈上升趋势，造成全球气候变暖；空气中大量
二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健
康和人类赖以生存的自然环境。
化石能源 + O2
H2O + CO2 + SO2 + NOx
发展新能源：清洁、可再生、供给量大
Current record holders in terms of quantum efficiencies (QEs) are
bulk recombination + -
A-
-
-++
semiconductor photocatalysts
TiO2 particle
D A
硅伏电池原理图
光催化分解水制氢及光催化重整生物质制氢
Evs.SHE(pH=0)/eV
常见半导体材料的能带结构 SiC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
<5% 48%
λ683 1.80eV λ400 3.07eV
设计在可见区内有强吸收的半导体材 料是高效利用太阳能的关键性因素。
Visible-light driven nitrogen doped TiO2
Optical absorption spectrum of TiO2-xNx and TiO2
光催化重整生物质制氢
人们研究发现，Pt-TiO2 对于光催化重 整甲醇、乙醇、异丙醇、甘油、甲醛、甲 酸、乳酸、葡萄糖等制氢均有很高的活性 和稳定性
但是，TiO2 带隙 3.2 eV, 仅能吸收波 长小于390 nm 的紫外光，而太阳光能量 主要集中在可见和红外区
太阳光谱图
UV Visible Infrared
QE < 1%
Zhigang Zou, Jinhua Ye, Kazuhiro Sayama and Hironori Arakawa, Nature 414, 625-627( 2001)
可见光分解纯水制氢光催化剂 Cr-Ru/GaN:ZnO
QE ~2.5%
Kazuhiko Maeda, Kentaro Teramura, Daling Lu, Tsuyoshi Takata, Nobuo Saito, Yasunobu Inoue & Kazunari Domen,Nature 440, 295, 2006
通过半导体光催化反应将太阳能转化为氢源 ——太阳能利用的理想方式
太阳能光伏电池发电 —— 具有重要应用前景
半导体光催化研究热潮的兴起
TiO2 →e- + h+ (charge seperation) 2H2O + 4h+→O2 + 4H+ （TiO2 electrod） 4H+ + 4e- → 2H2 (Pt electrod) (charge transfer)