光催化技术及其应用科普
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什么是光催化？
光催化：就是在光的作用下进行的催化反应。光催化剂 吸收特定波长的光辐射后，受激产生电子空穴对，随后 引发一系列的化学反应。
光催化剂：是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的 物质，光催化剂是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量， 来产生催化作用，使周围的氧气及水分子表激征发成极具氧化力的自由负离子。 几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加 速反应，而且不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物 的"光合作用"，吸收二氧化碳，利用光能转化为氧气及水。
全球每年排放NOX约为5千万吨，造成酸 雨、光化学烟雾、呼吸道疾病
酸雨效应
洛杉矶光化学烟雾 甘肃沙尘暴
2018/9/25
光催化应用 空气净化
2018/9/25
Application of the coating
Finished roadway
Usage of TiO2-based photocatalytic material on roadway surfaces to convert nitrogen oxides (NOx) to nitrate
光催化冰箱：除臭、保鲜
2018/9/25
玻璃外墙：自清洁 汽车后视镜：防雾
活跃在我们身边的光催化
2018/9/25
光催化捕蚊器
光催化盘景艺术
报告提纲
报告 提纲
活跃在我们身边的光催化 光催化原理 光催化历史回顾 光催化应用 纳米TiO2光催化剂简介
提高TiO2光催化活性的途径
2018/9/25
光催化原理
光催化降解 甲基橙染料废水
光催化降解 罗丹明B染料废水
光催化降解 亚甲基蓝染料废水
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化处理印染废水流程示意图
光催化应用 水净化
Picture of a photocatalytic reactor for treatment of sewage water
2018/9/25
Concentration change of estron (E1) in water discharged from a sewage-
treatment plant during photocatalysis
光催化应用 水净化
2018/9/25
曝气网连接的多层浅槽 固定床式太阳光光催化反应器
2018/9/25
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化剂TiO2负 载在球形浮珠上
光催化应用 水净化
光催化剂刚放入 油在光催化剂上 水面有很厚的油层 吸附富集且团聚
光催化降解催化剂 浮油全部降解 上油减少,颗粒解聚 催化剂颗粒分散
代表水面和油层（线条越粗油层越厚）
代表光催化剂颗粒（线条越粗吸附的油层越多）
提高TiO2光催化活性的途径
2018/9/25
光催化应用 水净化
染料废水：是目前难降解的工业废水之一，其毒性大，色泽深，严 重危害了生态环境。
农药：我国每年农药产量大约20万吨，还从国外进口农药75万吨。 通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。
Ref:国家环境保护总局.《长江三峡工程生态与环境监测公报》
车载空气净化器
光催化应用
空气净化
光催化空气净化的特点：
1. 高度消毒 ； 2. 高效清除化学污染； 3. 独特中央空调加载方式； 4. 进行空气消毒时，可以人机同在； 5. 在消毒过程中，纳米TiO2没有任何消
耗，所以消毒材料无需更换； 6. 可节约大量经费。
2018/9/25
光催化空气净化器
光催化应用 空气净化
菌浓度
菌浓度
光催化应用
杀菌抗菌
1000
800
600
不开灯
400
开灯
200
0
0
15
30
45
60
75
90
时间/分
1200 1000
800 600 400 200
0 0
TiO2/UV UV
15 30 45 60 75 90
时间/分
光催化对大肠杆菌 的杀菌性
反应速度快，有机污染物可在几分钟 到数小时内被完全破坏；
降解没有选择性，几乎能降解任何有 机物；
消除二次污染，矿化产物为无机离子， CO2，H2O；
催化剂TiO2廉价，无毒； 催化剂TiO2易分离和重复使用。
2018/9/25
光催化应用
水净化
光 难降解有机污染物
TiO2
CO2 + H2O + 简单无机物
2018/9/25
浮油在TiO2/球形浮珠上的降解机理
光催化应用
水净化
饮用水深度净化的必要性 各种对人体不利的物质 市场巨大
现有的一些饮用水深度净化技术 活性炭 臭氧 反渗透 紫外光 微过滤
2018/9/25
光催化应用
水净化
光催化饮用水净化的特点： 光催化杀菌能力比单独的紫外线杀
2018/9/25
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化技术在处理这些难降解 有机废水上具有独到的优势，可 以在光的照射下，将有机物彻底 氧化分解为CO2、H2O及一些无 机小分子，净化水体，消除环境 污染。
光催化
难降解
CO2
氧化法
工业废水
H2O
光催化应用
水净化
能耗低，反应条件温和，在紫外光和 太阳光照射下就可以发生反应；
2018/9/25
光催化地板
光催化梅花盘景艺术
光催化应用 空气净化
氮氧化物消除
氮氧化物大部分来自化石燃料的燃 烧过程，如汽车、飞机、内燃机及 工业窑炉的燃烧过程；
也来自生产、使用硝酸的过程，如 氮肥厂、有机中间体厂、有色及黑 色金属冶炼厂等。
2018/9/25
光催化应用
空气净化
NOX对环境的损害作用极大，它既是形 成酸雨的主要物质之一，也是形成大气 中光化学烟雾的重要物质和消耗O3的一 个重要因子；
物质名称 4-氯酚 二氯酚 五氯酚 氯化酚 氯仿
四氯化碳 三氯乙烯 氯代烷烃 氯代芳烃
2018/9/25
降解情况
完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 电子给予体参与下完全降解 氧存在时降解程度为99.4% 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化水处理装置
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化循环水处理系统
光催化应用 水净化
近年来，由于石油开采和海上运输业的发展，越来越多的石油泄漏事故发 生，致使大片海域受到污染。一次很小的漏油事件都能够严重地影响到海洋生 物的生存。泄漏的石油覆盖了海水表面，导致海鸟和很多海洋生物无法正常觅 食而饿死。
Citations per year of the 1972 Nature paper
2018/9/25
Photoelectrochemical cell used in the photolysis of water
光催化历史回顾
1976 年John. H .Carey等研究了多氯联苯的光催化氧化，被认为是光催 化技术在消除环境污染物方面的首创性研究工作。
2 OH O2 H 2O2 OOH H2O e H2O2 OH H2O2 e OH OH H2O2 O2 OH OH
OH
O
2
有机物 CO2 H2O
Hale Waihona Puke Baidu
2018/9/25
报告提纲
报告 提纲
活跃在我们身边的光催化 光催化原理 光催化历史回顾 光催化应用 纳米TiO2光催化剂简介
1977 年，T. Yokota 等发现在光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催 化活性，从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧化反应提供了一 条新的思路。
自1983 年起，A. L. Pruden和D. Follio就烷烃、烯烃和芳香烃的氯化物 等一系列污染物的光催化氧化作了研究，发现反应物都能迅速降解。
2018/9/25
光催化应用 空气净化
2018/9/25
光催化空气净化的基本流程
光催化应用 空气净化
2018/9/25
室内空气净化器
有效改善室内空气质量 、创 造健康舒适的办公室和住宅 环境。
光催化应用 空气净化
中央空调光催化空气净化器
2018/9/25
光催化应用 空气净化
2018/9/25
光催化废气处理设备
2018/9/25
光催化除臭设备
光催化应用
杀菌抗菌
光催化过程中产生的活性超氧离子自由基和羟基自由基能穿 透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传 输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效的杀灭细菌。
大肠杆菌、绿 脓杆菌、金黄 色葡萄球菌等
光 TiO2
杀灭
2018/9/25
2018/9/25
光催化历史回顾
被引用次数最高的前1000篇论文
(超出显示选项设置值以外还有 51 个国家/地区值)
2018/9/25
按国家排序前10位
(超出显示选项设置值以外还有 2219 个作者值)
按作者排序前10位
报告提纲
报告 提纲
活跃在我们身边的光催化 光催化原理 光催化历史回顾 光催化应用 纳米TiO2光催化剂简介
提高TiO2光催化活性的途径
2018/9/25
光催化历史回顾
1972年，在半导体TiO2电极上发现了光催化裂解水反应，揭开了多相光 催化新时代的序幕。
Prof. Akira Fujishima “The Father of Photocatalysis”
The University of Tokyo, Japan
物质名称
甲醇 甲苯 偶氮染料 酸性橙 敌敌畏 久效磷 甲拌磷 对硫磷 马拉硫磷 滴滴涕
降解情况
完全降解为二氧化碳 完全降解
降解乃至完全褪色 降解乃至完全褪色 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质
完全降解
光催化应用 水净化
2018/9/25
菌高4~10倍，保持净化水的无菌化； 对污染物广谱的净化功能，效力持
久，尤其对消毒副产物卤化烃有较 好的净化效率； 脱除重金属离子等有害物质，而不 损失有益的矿物质； 降解激素。
2018/9/25
光催化应用
空气净化
随着生活水平的提高，大量新型装饰材 料、时尚家具、生活用品不断进入人们 的家庭，由此所造成的室内环境污染也 日趋严重。
光催化应用
空气净化
氧化硫、硫化 光
氢、氧化氮、
无毒无害物质
甲醛、苯、氨 TiO2
我国首台光催化空气净化器于2009 年在国家超细粉末工程研究中心研制成 功。该净化器对室内空气中病菌杀菌效 果可达99.9%，双重光催化对甲醛、苯 等去除率达90%，除尘率达95%以上，并 可有效控制甲型H1N1流感病菌在空气中 的传播。 我国首台光催化空气净化器
1989 年，K. Tanaka等人研究发现有机物的半导体光催化过程由羟基自 由基（·OH）引起，在体系中加入H2O2可增加·OH的浓度。
进入了90 年代，随着纳米技术的兴起和光催化技术在环境保护、卫生 保健、有机合成等方面应用研究的发展迅速，纳米量级的光催化剂的 研究，已经成为国际上最活跃的研究领域之一。
2018/9/25
石建稳
报告提纲
报告 提纲
活跃在我们身边的光催化 光催化原理 光催化历史回顾 光催化应用 纳米TiO2光催化剂简介
提高TiO2光催化活性的途径
2018/9/25
活跃在我们身边的光催化
室内空气净化器
冷暖型壁挂直流变频空调， 光催化过滤网
2018/9/25
车载空气净化器
活跃在我们身边的光催化
室内主要污染物有甲醛、苯、甲苯等， 甲醛约占室内有机污染气体总量的70%， 潜伏期最长、危害性大。
甲醛是致癌物之一。长期接触低剂量甲 醛可导致很多疾病，如：鼻咽癌、结肠 癌、脑癌、白血病等。
新装修的居室、办公室、新置家具以及 汽车和某些服装可持续挥发甲醛，其释 放周期长达几十年。
2018/9/25
光催化应用 空气净化
具有光催化功能和自 净能力的生态砖结构 示意图 上：整体结构； 下：表层结构
2018/9/25
混合
浇铸
挤压成型
光催化应用 空气净化
2018/9/25
光催化应用 空气净化
香精厂光催化除臭设备
2018/9/25
皮革厂光催化除臭设备
厨房油烟光催化净化器
光催化应用 空气净化
2018/9/25
光催化原理
植物光合作用
2018/9/25
氢气
氧气
表征
光催化剂
光催化作用
光催化原理
老化
2018/9/25
光催化原理示意图
光催化原理
2018/9/25
电子激发及迁移过程示意图
光催化原理
TiO2 hv TiO2 h e
H 2O h OH H OH h OH
O2 e O2 H2O O2 OOH OH
光催化：就是在光的作用下进行的催化反应。光催化剂 吸收特定波长的光辐射后，受激产生电子空穴对，随后 引发一系列的化学反应。
光催化剂：是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的 物质，光催化剂是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量， 来产生催化作用，使周围的氧气及水分子表激征发成极具氧化力的自由负离子。 几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加 速反应，而且不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物 的"光合作用"，吸收二氧化碳，利用光能转化为氧气及水。
全球每年排放NOX约为5千万吨，造成酸 雨、光化学烟雾、呼吸道疾病
酸雨效应
洛杉矶光化学烟雾 甘肃沙尘暴
2018/9/25
光催化应用 空气净化
2018/9/25
Application of the coating
Finished roadway
Usage of TiO2-based photocatalytic material on roadway surfaces to convert nitrogen oxides (NOx) to nitrate
光催化冰箱：除臭、保鲜
2018/9/25
玻璃外墙：自清洁 汽车后视镜：防雾
活跃在我们身边的光催化
2018/9/25
光催化捕蚊器
光催化盘景艺术
报告提纲
报告 提纲
活跃在我们身边的光催化 光催化原理 光催化历史回顾 光催化应用 纳米TiO2光催化剂简介
提高TiO2光催化活性的途径
2018/9/25
光催化原理
光催化降解 甲基橙染料废水
光催化降解 罗丹明B染料废水
光催化降解 亚甲基蓝染料废水
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化处理印染废水流程示意图
光催化应用 水净化
Picture of a photocatalytic reactor for treatment of sewage water
2018/9/25
Concentration change of estron (E1) in water discharged from a sewage-
treatment plant during photocatalysis
光催化应用 水净化
2018/9/25
曝气网连接的多层浅槽 固定床式太阳光光催化反应器
2018/9/25
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化剂TiO2负 载在球形浮珠上
光催化应用 水净化
光催化剂刚放入 油在光催化剂上 水面有很厚的油层 吸附富集且团聚
光催化降解催化剂 浮油全部降解 上油减少,颗粒解聚 催化剂颗粒分散
代表水面和油层（线条越粗油层越厚）
代表光催化剂颗粒（线条越粗吸附的油层越多）
提高TiO2光催化活性的途径
2018/9/25
光催化应用 水净化
染料废水：是目前难降解的工业废水之一，其毒性大，色泽深，严 重危害了生态环境。
农药：我国每年农药产量大约20万吨，还从国外进口农药75万吨。 通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。
Ref:国家环境保护总局.《长江三峡工程生态与环境监测公报》
车载空气净化器
光催化应用
空气净化
光催化空气净化的特点：
1. 高度消毒 ； 2. 高效清除化学污染； 3. 独特中央空调加载方式； 4. 进行空气消毒时，可以人机同在； 5. 在消毒过程中，纳米TiO2没有任何消
耗，所以消毒材料无需更换； 6. 可节约大量经费。
2018/9/25
光催化空气净化器
光催化应用 空气净化
菌浓度
菌浓度
光催化应用
杀菌抗菌
1000
800
600
不开灯
400
开灯
200
0
0
15
30
45
60
75
90
时间/分
1200 1000
800 600 400 200
0 0
TiO2/UV UV
15 30 45 60 75 90
时间/分
光催化对大肠杆菌 的杀菌性
反应速度快，有机污染物可在几分钟 到数小时内被完全破坏；
降解没有选择性，几乎能降解任何有 机物；
消除二次污染，矿化产物为无机离子， CO2，H2O；
催化剂TiO2廉价，无毒； 催化剂TiO2易分离和重复使用。
2018/9/25
光催化应用
水净化
光 难降解有机污染物
TiO2
CO2 + H2O + 简单无机物
2018/9/25
浮油在TiO2/球形浮珠上的降解机理
光催化应用
水净化
饮用水深度净化的必要性 各种对人体不利的物质 市场巨大
现有的一些饮用水深度净化技术 活性炭 臭氧 反渗透 紫外光 微过滤
2018/9/25
光催化应用
水净化
光催化饮用水净化的特点： 光催化杀菌能力比单独的紫外线杀
2018/9/25
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化技术在处理这些难降解 有机废水上具有独到的优势，可 以在光的照射下，将有机物彻底 氧化分解为CO2、H2O及一些无 机小分子，净化水体，消除环境 污染。
光催化
难降解
CO2
氧化法
工业废水
H2O
光催化应用
水净化
能耗低，反应条件温和，在紫外光和 太阳光照射下就可以发生反应；
2018/9/25
光催化地板
光催化梅花盘景艺术
光催化应用 空气净化
氮氧化物消除
氮氧化物大部分来自化石燃料的燃 烧过程，如汽车、飞机、内燃机及 工业窑炉的燃烧过程；
也来自生产、使用硝酸的过程，如 氮肥厂、有机中间体厂、有色及黑 色金属冶炼厂等。
2018/9/25
光催化应用
空气净化
NOX对环境的损害作用极大，它既是形 成酸雨的主要物质之一，也是形成大气 中光化学烟雾的重要物质和消耗O3的一 个重要因子；
物质名称 4-氯酚 二氯酚 五氯酚 氯化酚 氯仿
四氯化碳 三氯乙烯 氯代烷烃 氯代芳烃
2018/9/25
降解情况
完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 电子给予体参与下完全降解 氧存在时降解程度为99.4% 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化水处理装置
光催化应用 水净化
2018/9/25
光催化循环水处理系统
光催化应用 水净化
近年来，由于石油开采和海上运输业的发展，越来越多的石油泄漏事故发 生，致使大片海域受到污染。一次很小的漏油事件都能够严重地影响到海洋生 物的生存。泄漏的石油覆盖了海水表面，导致海鸟和很多海洋生物无法正常觅 食而饿死。
Citations per year of the 1972 Nature paper
2018/9/25
Photoelectrochemical cell used in the photolysis of water
光催化历史回顾
1976 年John. H .Carey等研究了多氯联苯的光催化氧化，被认为是光催 化技术在消除环境污染物方面的首创性研究工作。
2 OH O2 H 2O2 OOH H2O e H2O2 OH H2O2 e OH OH H2O2 O2 OH OH
OH
O
2
有机物 CO2 H2O
Hale Waihona Puke Baidu
2018/9/25
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活跃在我们身边的光催化 光催化原理 光催化历史回顾 光催化应用 纳米TiO2光催化剂简介
1977 年，T. Yokota 等发现在光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催 化活性，从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧化反应提供了一 条新的思路。
自1983 年起，A. L. Pruden和D. Follio就烷烃、烯烃和芳香烃的氯化物 等一系列污染物的光催化氧化作了研究，发现反应物都能迅速降解。
2018/9/25
光催化应用 空气净化
2018/9/25
光催化空气净化的基本流程
光催化应用 空气净化
2018/9/25
室内空气净化器
有效改善室内空气质量 、创 造健康舒适的办公室和住宅 环境。
光催化应用 空气净化
中央空调光催化空气净化器
2018/9/25
光催化应用 空气净化
2018/9/25
光催化废气处理设备
2018/9/25
光催化除臭设备
光催化应用
杀菌抗菌
光催化过程中产生的活性超氧离子自由基和羟基自由基能穿 透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传 输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效的杀灭细菌。
大肠杆菌、绿 脓杆菌、金黄 色葡萄球菌等
光 TiO2
杀灭
2018/9/25
2018/9/25
光催化历史回顾
被引用次数最高的前1000篇论文
(超出显示选项设置值以外还有 51 个国家/地区值)
2018/9/25
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(超出显示选项设置值以外还有 2219 个作者值)
按作者排序前10位
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活跃在我们身边的光催化 光催化原理 光催化历史回顾 光催化应用 纳米TiO2光催化剂简介
提高TiO2光催化活性的途径
2018/9/25
光催化历史回顾
1972年，在半导体TiO2电极上发现了光催化裂解水反应，揭开了多相光 催化新时代的序幕。
Prof. Akira Fujishima “The Father of Photocatalysis”
The University of Tokyo, Japan
物质名称
甲醇 甲苯 偶氮染料 酸性橙 敌敌畏 久效磷 甲拌磷 对硫磷 马拉硫磷 滴滴涕
降解情况
完全降解为二氧化碳 完全降解
降解乃至完全褪色 降解乃至完全褪色 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质 完全降解为无机物质
完全降解
光催化应用 水净化
2018/9/25
菌高4~10倍，保持净化水的无菌化； 对污染物广谱的净化功能，效力持
久，尤其对消毒副产物卤化烃有较 好的净化效率； 脱除重金属离子等有害物质，而不 损失有益的矿物质； 降解激素。
2018/9/25
光催化应用
空气净化
随着生活水平的提高，大量新型装饰材 料、时尚家具、生活用品不断进入人们 的家庭，由此所造成的室内环境污染也 日趋严重。
光催化应用
空气净化
氧化硫、硫化 光
氢、氧化氮、
无毒无害物质
甲醛、苯、氨 TiO2
我国首台光催化空气净化器于2009 年在国家超细粉末工程研究中心研制成 功。该净化器对室内空气中病菌杀菌效 果可达99.9%，双重光催化对甲醛、苯 等去除率达90%，除尘率达95%以上，并 可有效控制甲型H1N1流感病菌在空气中 的传播。 我国首台光催化空气净化器
1989 年，K. Tanaka等人研究发现有机物的半导体光催化过程由羟基自 由基（·OH）引起，在体系中加入H2O2可增加·OH的浓度。
进入了90 年代，随着纳米技术的兴起和光催化技术在环境保护、卫生 保健、有机合成等方面应用研究的发展迅速，纳米量级的光催化剂的 研究，已经成为国际上最活跃的研究领域之一。
2018/9/25
石建稳
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活跃在我们身边的光催化 光催化原理 光催化历史回顾 光催化应用 纳米TiO2光催化剂简介
提高TiO2光催化活性的途径
2018/9/25
活跃在我们身边的光催化
室内空气净化器
冷暖型壁挂直流变频空调， 光催化过滤网
2018/9/25
车载空气净化器
活跃在我们身边的光催化
室内主要污染物有甲醛、苯、甲苯等， 甲醛约占室内有机污染气体总量的70%， 潜伏期最长、危害性大。
甲醛是致癌物之一。长期接触低剂量甲 醛可导致很多疾病，如：鼻咽癌、结肠 癌、脑癌、白血病等。
新装修的居室、办公室、新置家具以及 汽车和某些服装可持续挥发甲醛，其释 放周期长达几十年。
2018/9/25
光催化应用 空气净化
具有光催化功能和自 净能力的生态砖结构 示意图 上：整体结构； 下：表层结构
2018/9/25
混合
浇铸
挤压成型
光催化应用 空气净化
2018/9/25
光催化应用 空气净化
香精厂光催化除臭设备
2018/9/25
皮革厂光催化除臭设备
厨房油烟光催化净化器
光催化应用 空气净化
2018/9/25
光催化原理
植物光合作用
2018/9/25
氢气
氧气
表征
光催化剂
光催化作用
光催化原理
老化
2018/9/25
光催化原理示意图
光催化原理
2018/9/25
电子激发及迁移过程示意图
光催化原理
TiO2 hv TiO2 h e
H 2O h OH H OH h OH
O2 e O2 H2O O2 OOH OH