两种掺杂半导体材料制备及光催化特性概述

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1、两种掺杂半导体材料制备及光催化特性概述第一章绪论1.1引言随着全球工业化进程的不断发展，能源问题和环境问题越来越成为当今社会人们关注的热点，它严重制约着人类的继续生存和社会的持续发展，是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题。传统的能源主要包括石油、煤炭、天然气等，这些能源利用起来存在一些问题。一方面，这些能源是不可再生的，在可预见的不久将被消耗殆尽，无法满足人类可持续发展的要求；另一方面，这些能源利用起来，会产生一些负面影响，例如，空气污染，温室效应，环境污染等。这就使得寻找一种可再生的、储量丰富的清洁能源成为人类的迫切需求。同时，大量石油煤炭资源的利用，工业废

2、水，废气的大量排放，造成了水污染，大气污染，噪声污染，辐射污染等，其中，以水污染最为严重，使得人类赖以生存的环境受到严重的破坏。为此，全球各国政府一方面制定措施严格控制污水的排放质量和标准，另一方面纷纷投入巨资和实力雄厚的科研力量用于环境污染的修复。半导体光催化技术由于能够直接利用资源丰富的太阳能作为驱动动力和其室温深度反应等独特性能，在近几十年得到迅速发展，成为一种理想的能源生成技术和环境修复技术。1972年，日本的两位研究人员Fujishima和Honda[1]发现了TiO2电极在紫外光照下可以分解水产生氢气和氧气，揭开了光催化技术新时代的序幕。从此，开发具

3、有巨大潜力的半导体光催化材料成为物理、化学、生物、材料等各领域科研工的梦想，也使得半导体光催化技术成为科学发展的趋势，对人类的生存和社会的发展具有十分重要的战略意义。近十几年，半导体光催化技术在环保[2-6]、卫生保健[7-9]和能源[10-18]等方面的应用迅速发展，尤其是纳米半导体光催化技术[19-22]由于其独特的优异性能，成为国际上最活跃的研究领域之一。..1.2半导体光催化技术的应用半导体光催化技术作为一种自然现象，自被发现后，得到各国科研工的广泛关注。由于光催化技术在室温下就可以发挥作用，更加扩展了其应用领域。例如，现在比较成熟的应用领域，半导体光催

4、化技术与抗菌[23-29]；半导体光催化技术与分解水制氢[30-35]；半导体光催化技术与水处理[36-40]；半导体光催化技术与空气净化[41-45]等。随着社会的发展，科技的进步，人类的健康安全意识也随之加强。人们对其生存环境的质量和卫生水平提出了更高的要求。自然界中存在着众多的细菌、病菌类等微生物。尽管它们中的一部分种类对人类是有益的，但大多数可以作为病原体侵入人体内部，与体内的一部分物质发生一系列反应，损坏人体的内部结构，危害人们的健康，甚至会危及人类的生命；而且，病原体还可以与各种工业材料、食品、化妆品、医疗药品等发生化学反应，使其分解、变质、腐烂，给

5、人类带来了重大的经济损失。因此，研制和开发出具有抗菌和杀菌能力的产品变得越来越重要。一般来说，具有抗菌或杀菌能力的材料统称为抗菌材料。抗菌材料按照化学组成可以分为无机抗菌材料，有机抗菌材料和天然抗菌材料三类。有机抗菌材料杀菌效果强，反应迅速，价格也很便宜，但是其热稳定性差，自身分解产物和挥发物可能对人体有害，不适合用于高温环境下，很大程度上限制了其应用。天然抗菌材料尽管安全性高，应用范围广，但其热稳定性也不太好，使用寿命短，且对其生产条件有很高的要求，很难大规模地生产。目前，最常用的抗菌材料就是无机抗菌材料，传统的无机抗菌材料主要是由银、铜、锌等金属离子负载于沸

6、石、易熔玻璃、硅胶、活性炭等载体上组成的。这些金属离子可以通过缓释作用释放出来，与微生物的细胞膜即膜蛋白质结合，使其立体机构遭到破环，从而使微生物死亡或使其产生机能障碍。尽管这种抗菌材料安全性高，耐热性好，使用寿命长，抗菌范围广，但其价格高，并且银系存在变色问题。半导体光催化剂在光的作用下，能够激活水和空气中的氧，产生羟基自由基和活性氧离子，活性氧离子具有很强的氧化能力，能够在短时间内分解组成微生物的有机物，破环其繁殖能力，使其细胞死亡，从而达到杀毒抗菌的目的。..第二章C掺杂球状TiO2材料的制备及性能研究2.1引言TiO2作为一种功能材料，由于具有合适的能带

7、电位、稳定的化学性质、高活性、成本低廉等优势，使其成为研究最为广泛的半导体光催化材料。自然界中，TiO2以三种晶相存在，即板钛矿相（Brookite），金红石相（Rutile）和锐钛矿相（Anatase）。图Fig2.1是金红石相和锐钛矿相TiO2的晶体结构示意图，两者的组成结构都是钛氧八面体，其结构的区别在于钛氧八面体的扭曲程度和连接方式。锐钛矿结构中，每个钛氧八面体与周围八个钛氧八面体通过共边连接，而金红石结构中，每个钛氧八面体与周围10个钛氧八面体通过共顶点连接。一般认为TiO2的三相中，板钛矿没有明显的光催化活性。锐钛矿相的光催化活性最高，而金红石相由于

8、吸附O2的能力差，比表面