纳米材料在光催化中的应用.

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复合半导体材料
h ≥ E g A D h+ eTiO2 Doxidized
Pt
• 光生电子在Pt岛上富集，光生
Areduced
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。
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复合半导体材料
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光催化的应用
• 1.有机污染物的处理 • • 2.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
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TiO2光催化的机理
还原 e-
氧化 hγ eh+
e-
h+
导带 Eg 价带
光催化剂
h+
氧化还原性
具有这种光催化半导体的能隙既不能太宽，也不能太窄， 对太阳光敏感的具有光催化特性的半导体能隙一般为 1.9~3.1eV。
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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
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MOFs及其碳化物材料
右图这种钛的MOFs材料 可以在光作用下发生配 体与金属之间的电子转 移，从而激发至能量比 较高的状态，去催化一 系列化学反应的发生。
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MOFs及其碳化物材料
MOFs材料可以将催化反应控制在一个特定的 框架内，从而提供了很好的催纳米效应。
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MOFs及其碳化物材料
能隙变宽，光生电子和空穴的能量增加，氧化还原能 力增强。
• 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。
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TiO2纳米粒子光催化的优势
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TiO2光催化的机理
• 当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，
价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带，在价带上产 生相应的空穴(h+)，并在电场作用下分离并迁移到 粒子表面。光生空穴有很强的得电子能力，具有强 氧化性，可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂 中的电子，使原本不吸收光的物质被活化氧化，电 子受体通过接受表面的电子而被还原。
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粉体纳米TiO2光催化剂的不足
• 1.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。
• 2.只能用紫外光活化，太阳光利用率低。 • 3。粉末状TiO2在使用过程中存在分离、回收困难
等问题。
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新型光催化剂的开发
• 1.MOFs及其碳化物材料 • 2.复合半导体材料 • 3.有机聚合物 • 4.硫族化合物
• TiO2纳米粒子是当前最有应用潜力的光催化剂：
• 1.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） • 2.化学性质稳定(耐酸碱和光化学腐蚀),对生物无毒 • 3.在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜 • 4.原料来源丰富
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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 前驱体为钛醇盐， 锐钛矿型，纯度高，热稳 成本高 定性好 晶粒完整，粒径小，分布 反应条件为高温、 均匀，原料要求不高，成 高压，材质要求 本相对较低 高
化学气相沉 积法（CVD） 微乳液法
粒径小，分散性好，分布 技术和材质要求 窄，化学活性高，可连续 高，工艺复杂， 生产 投资大 可有效控制TiO2纳米粉末的 易团聚 尺寸
染问题； • 光催化还可分解转化其它无机污染物，如CN-、 NO2-、H2S、 SO2, NOx等。
• 3.室内环境净化
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•谢谢！
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纳米材料在光催化中的应用
光催化的发现
• 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。
•
TiO2光催化机理可用下式说明： TiO2 →e-＋h+ h+＋H2O →*OH＋H+ h+＋OH- →*OH O2＋e- →*O2*O2-＋H+ →HO2* 2HO2* →O2＋H2O2 H2O2＋O2- →*OH＋OH-＋O2