光催化材料课件

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光催化技术的发展历史
1972年，Fujishima （藤岛）在N-型半导 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 （横田）T等发现了光照 条件下，TiO2对环丙烯环氧化具有光催化活 性，从而拓宽了光催化反应的应用范围，为 有机物的氧化反应提供了一条新思路。
2014年10月11日北京雾霾引起社会关注。
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环境问题
全球pm2.5实时情况：http://aqicn.org/map/world/cn/
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解决方案
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20世纪成为现实； 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。
目录
为什么是光催化材料 光催化的机理 光催化材料TiO2制备方法 光催化材料的改性 其他光催化材料 光催化材料的应用
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为什么是光催化材料
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中国
75%
煤
能源问题
当前的能源结构
石油 17%
其他 2% 天然气
6%
40%
石 油
世界
24%
天然气
煤 其他 10%
2.4
O2/H2O (E=1.23eV)
2.0
绝大部分只能吸
收不到5％的太
3.0
阳光(紫外部分)!
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常见的光催化材料
photocatalyst Ebg（eV）
ZnO在水中不稳定，会在 粒子表面生成Zn(OH)2
photocatalyst Ebg（eV）
Si
1.1
TiO2（Rutile)
3.0
WO3
2.7
ZnS
3.7
SiC
3.0
Fe2O3
2.2
铁的氧化物会发生阴极光腐蚀
14
ZnO
3.2
TiO2(Anatase)
3.2
CdS
2.4
SnO2
3.8
CdSe
1.7
α-Fe2O3
3.1
金属硫化物在水溶液中不稳定
，会发生阳极光腐蚀，且有毒
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半导体光催化制氢原理
H2O H2 + 1/2O2 G0 = 238 kJ/mol (E = -Go/nF = -1.23 eV)
26%
CxHy + O2
H2O + CO2 + SO2 + NOx
《BP世界能源统计2007》的数据表明，全球石油储量可供生产
40年，天然气和煤炭则分别可以供应65年和162年。
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环境问题
大气污染 全球每年排放SO2 2.9亿吨，NOx约为5千万吨，可 吸入粉尘→酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病……
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常见半导体材料的能带结构
Evs.SHE(pH= )/eV
0
SiC
ZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3ห้องสมุดไป่ตู้6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
3.0 CdS
H+/H2 (E=0 eV)
对于环境问题，半导体光催化是有希望的技术，可以大量的应用于
环境保护，例如，空气净化，有毒废水处理，水的净化等。
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什么是光催化
光催化剂（一般为半导体材料）在光(可见光或者紫外光)的照 射下，通过把光能转化为化学能，从而具有氧化还原能力， 使化合物（有机物、无机物）被降解的过程称为光催化。
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什么是光催化
近年来，光催化技术在环保、卫生保健、 自洁净等方面的应用研究发展迅速，半导体 光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。
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光催化的机理
A: 半导体吸收光，产生电子和空穴的过程 B: 电子和空穴表面复合过程 C: 电子和空穴体内复合过程 D: 还原过程 E: 氧化过程
当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发 到导带(CB)形成光致电子-空穴。 价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。
从光合作用这种最简单的光催化反应，总结下一个光催化反应发生的三个 基本条件：
❖ 叶绿素---光催化剂 ❖ 光-------特定波长范围(400-600nm之间最佳)，非所有光都可以 ❖ 反应物------二氧化碳和水
光催化反应的三个基本条件：
光催化剂------一般为半导体材料 光------------特定波长范围，非所有光都可以 反应物--------空气中的有机物或溶液中的有机污染物或水
空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的羟基自由基（ HO . ） 电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的超氧离子自由基等(.O2-, HO . 等)
空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2, H2O
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光催化的机理
❖ 可以想象一下，在分子的周围，形成了大量的光致电子和 光致空穴，在光的照射下，他们不断产生，又不断复合， 但是从宏观的角度看，在某一时刻，总是有大量的来不及 复合的电子和空穴的存在，他们不断的寻找自己的猎物。
V/NHE
H+
Conduction band
Burning of fossil fuels
洛杉矶
Photochemical smog
Acid rain effects
sand storm
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环境问题
雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的 结果。高密度人口的经济及社会活动必然会 排放大量细颗粒物（PM 2.5），一旦排放超 过大气循环能力和承载度，细颗粒物浓度将 持续积聚，此时如果受静稳天气等影响，极 易出现大范围的雾霾。
❖ 作为光致电子来说，他们的猎物是电子受体，这样光致电 子就可以还原这个电子受体；
❖ 而光致空穴迁移到表面后的猎物时哪些能够提供电子的物 质，从而将这些物质氧化。
❖ 在过程中生成的羟基自由基和超氧离子自由基等，这些自 由基的氧化能力特别强，强化对污染物的氧化还原反应。
❖ 光照时光子被半导体吸收，这是一个贮能过程 。半导体 多相光催化研究的主要内容是利用半导体材料的光敏性将 太阳能或其他形式的光能，通过光催化反应转换为化学能 （如光解水制氢、光催化合成等分子储能过程）或加速某 种化学反应（如污染物的光催化降解）的定向进行。