光催化技术的发展与应用--个人制作

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1、半导体光催化技术的发展与应用主要内容一、半导体光催化技术的发展二、半导体光催化技术的理论基础—能带理论三、半导体光催化机理四、纳米TiO2光催化机理五、纳米TiO2光催化技术的应用一、半导体光催化技术的发展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。1976年Garey用TiO2光催化剂脱除了多氯联苯中的氯，1977年Frank光催化氧化CN-为OCN-，光催化技术在环保方面的应用研究开始启动。近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的应用研究发展迅速，纳米光催化成为

2、国际上最活跃的研究领域之一。二、半导体光催化技术的理论基础——能带理论单个原子：由原子核和核外电子组成。电子的能量是一定的，这种量子态的能量成为能级。（轨道的不同能量状态）电子轨道分别用1s,2s,2p,3s,3p,3d,...等符号表示，对应不同电子能级，每个能级上只能容纳两个自旋方向相反的电子。靠近原子核，受原子核约束强，能级低；远离原子核，受原子核约束弱，能级高；电子从低能级跃迁到高能级，要吸收能量；电子从高能级跃迁到低能级，要放出能量；基态：能量最低；激发态：电子被激发到高能量轨道上。E1E2E3电子的共有化运动：当原子相互接近形成晶体时，不同原

3、子的内外各电子壳层之间就有了一定程度的交叠，相邻原子最外壳层的交叠最多，内壳层交叠较少。原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动就称为电子的共有化运动。共有化运动只能在相似壳层间转移能级分裂：当原子周期性排列形成晶体互相靠近时，每个原子中的电子除了受到本身原子势场及其它电子作用外，还要受到其它原子势场及其它大量电子的作用。同一能级上电子的能级都分裂为m个彼此相近的能级，m称为简并度。晶体有N个原子，一个能级可分裂成mN个相近能级，形成能带。原子内壳层

4、电子能量低，能级分裂少，简并度低，共有化程度低，能带窄。外层电子能量高，能级分裂多，简并度高，共有化程度高，能带宽。满带：能量低的能带中充满电子，能带称为满带。导带：最高能带，全空或半空，电子未满，称为导带。禁带：两个能带间的区域。价带：导带下的满带，电子可跃迁到导带。价带禁带宽度Eg=Ec-Ev，其中Ec和Ev分别为导带(conductionband)底和价带(valueband)顶对应的能量。EcEv导带价带Eg固体材料可以按其导电性分为导体、半导体和绝缘体。绝缘体：禁带宽度很大，绝缘体导带为空带，激发电子需要很大的能量，在通常温度下，能激发导带上的

5、电子很少，因此导电性能差。如金刚石。导体：禁带宽度比较大，导体的导带为半满带。价带导带半导体：禁带宽度窄在通常温度下就有不少电子激发到导带上，这些电子将参与导电；同时，价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些空的量子状态，价带电子的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看成带正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状态为空穴。导带价带半导体中的载流子（1）电子：价带顶部的电子被激发到导带后，形成了自由电子自由电子参与导电电子带有负电荷半导体导电：两种载流子运动形成（电子和空穴的定向漂移）。（2）空穴：价带顶部的电子被激发到导带后，价带中就留下了一

6、些空状态激发一个电子到导带，价带中就出现一个空状态把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴空穴带有正电荷hEg+-ConductionbandAadsAreducedAbandgapValencebandDadsDDoxidizedsemiconductorparticleOverallreaction:D+AhPCDoxidized+Areduced三、半导体光催化机理要激发半导体的光催化活性，必须使其接受能量大于其禁带宽度的光照射。而根据普朗克（Planck）方程（如式1.1所示），可以计算出能够激发半导体的活性的光波波长（也就是光响应范围

7、）。λ=hc/Eg式中：λ为最大吸收波长/nm；h为普朗克常量，即6.63×10-34J•s；c为光的真空速度，即为3.0×108m/s；Eg为半导体的带隙能/J。以TiO2为例，其Eg为3.2eV，其最大吸收波长为388.5nm，正好落在紫外光波长范围（200～400nm）内。常用半导体光催化剂有：ZnS、TiO2、ZnO、CdS、SnO2、Fe3O4易发生光腐蚀，半导体的光腐蚀表现为阳极的溶解或阴极的表面还原。而TiO2材料制成的光催化剂无毒、廉价、高效、性能稳定，是当前应用最广的光催化剂四、纳米TiO2光催化降解机理光催化剂的纳米尺寸效应量子效应当

8、半导体粒径小于某一纳米尺寸时，导带和价带间的能隙变宽，光生电子和空穴的能量增加，