《工业催化原》ppt课件

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1、工业催化原理Catalysisinindustrialprocesses厦门大学化学化工学院化工系过渡金属半导体氧化物催化剂金属氧化物中缺陷和半导体性质满带：凡是能被子电子完全充满的能带叫满带。导带：凡是能带没有完全被电子充满的。空带：根本没有填充电子的能带。禁带：在导带（空带）和满带之间没有能级不能填充电子这个区间叫禁带。半导体的禁带宽度一般在0.2-3eV。本征半导体、n型半导体、P型半导体N型半导体和p型半导体的形成当金属氧化物是非化学计量，或引入杂质离子或原子可产生n型、p型半导体。杂质是以原子、离子或集团分布在金属氧化物晶体中，存在于晶格表面或晶格交界处。这些杂质可引

2、起半导体禁带中出现杂质能级。如果能级出现在靠近半导体导带下部称为施主能级。施主能的电子容易激发到导带中产生自由电子导电。这种半导体称为n型半导体。如果出现的杂质能级靠近满带上部称为受主能级。在受主能级上有空穴存在。很容易接受满带中的跃迁的电子使满带产生正电空穴关进行空穴导电，这种半导体称为p型半导体。半导体费米能级与逸出功的关系n型半导体与p型半导体的生成n型半导体生成条件A）非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成n型半导体。B）氧缺位C）高价离子取代晶格中的正离子D）引入电负性小的原子。P型半导体生成条件A）非化学计量比氧化物中出现正离子缺位。B）用低价正电离

3、子取代晶格中正离子。C）向晶格掺入电负性在的间隙原子。半导体导电性影响因素温度升高，提高施主能级位置，增加施主杂质浓度可提高n型半导体的导电性。温度升高，降低受主能级位置或增加受主杂质浓度都可以提高p型半导体的导电能力。催化剂制备上措施：晶体缺陷，掺杂，通过杂质能级来改善催化性能。杂质对半导体催化剂的影响1、对n型半导体A）加入施主型杂质，EF↗Φ↘导电率↗B）加入受主杂质，EF↘Φ↗导电率↘2、对p型半导体A）加入施主型杂质EF↗Φ↘导电率↘B）加入受主型杂质EF↘Φ↗导电率↗半导体催化剂化学吸附与催化作用1、化学吸附A）受电子气体吸附（以O2为例）（1）在n型半导体上吸附O

4、2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面在表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果是氧在表面吸附是有限的。（2）p型半导体上吸附O2相当于受主杂质，可接受满带的电子增加满带空穴量，随氧压的增加导电率增大，由于满带中有大量电子，因此吸附可一直进行，表面吸附氧浓度较高。B)对于施电子气体吸附（以H2为例）对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主作用。吸附气体半导体类型吸附物种吸附剂吸附位EFφ导电率受电子气体（O2）N型V2O5）O2→O2-O-,O22-,O2-V4+→V5+负离子吸附

5、在高价金属上↘↗↘P型Cu2OO2→O2-O-,O22-,O2-Cu+→Cu2+负离子吸附在高价金属上↘↗↗施电子气体（H2）N型ZnO1/2H2→H+Zn2+→Zn+正离子气体吸附在低价金属离子上↗↘↗P型NiO1/2H2→H+Ni3+→Ni2+正离子气体吸附在低价金属离子上↗↘↘P型半导体和它的EF能级当过渡技术形成低价氧化物如NiO，Cu2O，CoO等，常形成金属阳离子缺位的非计量化合物。如NiO其中Ni2+缺位，以各缺位相当于两个单位的正电荷“2+”，由于晶体保持电中性，必然引起缺位附近两个Ni2+离子价态的变化，即2Ni2++“2+”→2Ni3+，这里Ni3+=Ni2

6、+，Ni2+可以接受电子称为受主原子，当温度升高时空穴可以成为自由空穴。在外电场作用下，满带电子可以定向地向受主能级跃进迁，这种主要靠准自由空穴导电的半导体称之主P型半导体。P半导体的EF能级应处于满带项处EV和受主能级EA之间的中间位置。P型半导体能带（EA为受主能级）EF能级在过渡金属和半导体中的区别对于过渡金属而言电子的EF能级处在导带之内，反映金属地带量子态的填充水平。但对于的半导体情况的EF位置会发生变化。一般都处于禁带。反映地不是电子的一格允许能级但同样代表着半导体中电子表的平均能量，物力意义是一致的电子在该能级出现的几率为F(Ej)=1/2N型半导体掺杂掺杂的两种

7、方式施主型掺杂提高供电子的物质浓度。如ZnO中加入Al3+由于费米能级升高而使逸出功降低。导电率升高。受主型掺杂它减少了可提供电子的物质浓度。如在ZnO中添加Li+会使Zn+浓度下降，造成ZnO逸出功升高和导电率降低。p型半导体掺杂掺杂的两种方式施主型掺杂准自由空穴浓度的降低。这是导致EF能级的升高，使得逸出功变小和导电率下降。受主型掺杂（情况类似）如何判断参杂杂质类型掺杂杂质类型可以从杂质对半导体的逸出功和导电率影响来判断。1、用逸出功来判断如果引入某种杂质后，半导体的逸出功变小，那么这种