光催化学科的前沿与发展趋势.ppt

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1、光催化学科的前沿与发展趋势付贤智（福州大学光催化研究所）●光催化学科是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。光催化分解水制氢H2O→H2+½O2环境光催化C6H6+7½O2→6CO2+3H2Ohvhv催化剂催化剂●环境和能源是二十一世纪人类面临和亟待解决的重大问题。光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳光作为光源来驱动反应等独特性能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。导带价带hν=Eg还原氧化A_AD+D光催化原理νh光解水原理导带价带光吸收激发电子生成空穴0

2、.0eV1.23eVNHE(pH=0)H+/H2O2/H2Oνh●光催化技术在众多领域具有广阔的应用前景和重大社会经济效益光催化技术空气、水净化国防军事纺织工业汽车工业家用电器建筑材料医疗卫生洁净能源●光催化受到科学界、政府部门及企业界的高度重视，投入了大量的资金和研究力量开展光催化基础理论、应用技术开发及工程化研究，使得光催化成为近年来国内外最活跃的研究领域之一。一、光催化领域的重大科技问题与学科发展趋势1、重大科技问题目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存在一些关键科学技术难题，使其广泛的工业应用受到极大制约，而

3、这些问题的解决则有赖于深入系统的基础研究。最突出的问题在于：（1）量子效率低（～4%）难以处理量大且浓度高的废气和废水，难以实现光催化分解水制氢的产业化。（2）太阳能利用率低由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐射仅占~5%)。（3）多相光催化反应机理尚不十分明确以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作盲目性大。（4）光催化应用中的技术难题如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收技

4、术，在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂活性稳定性问题。上述关键问题也是目前国内外光催化领域的研究焦点，围绕这些问题开展进一步的研究不仅可望在光催化基础理论方面获得较大的突破，而且有利于促进光催化技术真正能在上述众多领域得到大规模广泛工业应用。2、学科发展方向从理论和应用上解决可见光光催化和提高光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化学科的发展方向。前沿课题和研究重点：（1）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制（能带调变，非TiO2光催化剂）；（2）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光催化理

5、论体系的探讨（原位表征和超快时间分辨技术研究光生载流子的迁移传输规律）；（3）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）；（4）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用研究。二、光催化领域的最新研究进展近年来，光催化的基础与应用研究发展非常迅速，特别是在可见光诱导的新型光催化剂的研究、提高光催化过程效率的研究和光催化功能材料的研究等方面都取得了重要进展。1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得重大突破采用固相合成、过渡金属离子和非金属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、半导体复合等多种方法，制备出了一系列新型非二氧

6、化钛系或二氧化钛基可见光光催化材料，这些材料在可见光的照射下，能将H2O分解为H2和O2，或能有效降解空气、水中的有机和无机污染物。●ZhigangZou等采用高温固相合成法，制备出可见光活性的In1-xNixTaO4催化剂并应用于光解水制氢[1]、随后又研制出InVO4[2]、NiM2O6(M=Nb,Ta)[3]等系列可见光活性的光解水催化剂。（Nature，2001)●MichikazuHara等通过氮化Ta2O5合成出窄禁带宽度的半导体TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收带边分别拓展到5

7、00nm和600nm左右，从而具备可见光光催化性能[4]。●MasatoTakeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2，光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。●R.Asahi等[6]采用N置换式掺杂得到的TiO2-xNx在可见光条件下对亚甲基蓝和气态乙醛的光催化活性以及负载型TiO2-xNx薄膜的亲水性都高于TiO2。（Science，2001）●赵进才等人[7]用β-环糊精和有生物活性的小分子血晶素合成了一种金属-有机络合物（CDH），该络合物在可见光下可以活化H2O2，把水中的若

8、丹明B（RhB）和2，4-二氯苯酚（DCP）等有机污染物氧化和矿化。●最近，李灿等人采用水热合成制备出具有可见光活性的光解水ZnIn2S4新型催化剂[8]。硫化物ZnIn2S4上可见光催化分解水制氢ZhibinLeiandCanLietal,Chem.Commun.,2003,2142..2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题，近年来从提高催化剂自身的量子效