环境功能材料-6-光触媒(光催化剂).ppt

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1、光催化光催化基础TiO2光触媒主要内容什么是光催化?光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照）下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。光催化一般是多种相态之间的催化反应。光催化过程———反应物+光触媒+光照射多相光催化是指在有光参与的情况下，发生在催化剂及表面吸附物（如H2O，O2分子和被分解物等）多相之间的一种光化学反应。光催化反应是光和物质之间相互作用的多种方式之一，是光反应和催化反应的融合，是光和催化剂同时作用下所进行的化学反应。光合作用也可以看作光催化光触媒(光催化剂)PHOTOCATALYSIS=Phot

2、o(光)+catalyst(催化剂)光触媒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。例子：H2OH2+O2光催化过程的发现1967年，藤岛昭，东京大学研究生试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。石油危机，寻找新能源，这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，制氢效率很低，无法作为新能源方案进行实际利用，因此在轰动一时后迅速降温。后期在环境领域的发展1992，第一次二氧化钛光触媒国际研讨会，日本发表了光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。

3、以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空气净化等领域的相关研究急剧增加。光催化原理能带理论能带：在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体中原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。导带导带（conductionband）是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。满带允带（允许电子能量存在的能量范围）中的能量状态（能级）均被电子占据。满带电子是不导电的，因为：泡利不相容原理认为，每个能级只能容纳自旋方向相反的两个电

4、子，在外加电场上，这两个自旋方向相反的电子受力方向也相反。它们最多只能互换位置，不能出现沿电场方向的净电流，所以说满带电子不导电。禁带在能带结构中能态密度为零的能量区间。导带价带禁带禁带宽度半导体能带结构对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下，半导体的价带(valenceband)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbiddenband/bandgap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带——导带。半导体的

5、能带结构导带价带禁带Eg＜3eV掺杂半导体N型半导体（主要依靠自由电子进行导电）P型半导体（主要依靠空穴进行导电）半导体本征半导体（纯的半导体，不含有任何杂质，禁带中不存在缺陷能级)N型半导体：杂质原子形成共价结合时多余一个电子，则被束缚于杂质原子附近。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。P型半导体：当杂质原子形成共价结合时尚缺少一个电子，存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原

6、子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子。EcEdEv价带EcEaEv导带价带导带P型半导体的能级N型半导体的能级杂质能级光催化原理当用能量等于或大于禁带宽度（Eg）的光照射时，半导体价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成电子（e-）－空穴（h+）对。电子具有还原能力，空穴具有氧化能力。构成了光催化活性的基础。半导体价带的光激发固体中的光激发和脱激过程空气和溶液中通常是氧TiO2纳米光触媒纳米TiO2是一种新型的无机金属氧化物材料，由于具有较大的比表面积和

7、合适的禁带宽度，因此具有光催化氧化降解一些化合物的能力，纳米TiO2具有优异的光催化活性，并且价格便宜，无毒无害等优点因此被广泛的应用。常见的光催化材料photocatalystEbg（eV）photocatalystEbg（eV）Si1.1ZnO3.2TiO2（Rutile)3.0TiO2(Anatase)3.2WO32.7CdS2.4ZnS3.7SnO23.8SiC3.0CdSe1.7Fe2O32.2α-Fe2O33.1ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn(OH)2铁的氧化物会发生光腐蚀金属硫化物在水溶液中

8、不稳定，会发生阳极光腐蚀，且有毒！各种常用半导体的禁带宽度和禁带边缘电位示意图（pH=0）TiO2的结构与性质TiO2晶型结构示意图(锐钛矿型)纳米TiO2是一种半导体光催化材料，TiO2的电子结构特点为一个满的价带和一个空的导带。当受到能量大于带隙能的光照射时，价带上的电子被激发，跃过禁带，同时在价带上产生与电子e-相对应的空穴h+，即自由电子--空穴对。