光催化原理及应用

光催化原理及应用

起源

光触媒，是一个外来词，起源于日本，由于日本文字写成“光触媒”，所以中国人就直接把她命名为“光触媒”。其实日文“光触媒”翻译成中文应该叫“光催化剂”翻译成英文叫“photo catalyst”。光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次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。这一效果作为“ 本多· 藤岛效果” （Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京工艺大学校长本多健一的名字。

这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机的背景，世人对寻找新能源的期待甚为殷切，因此这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，但由于很难在短时间内提取大量的氢气，所以利用于新能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。

1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。因此二氧化钛相关的专利数目亦最多，其它触媒关连技术则涵盖触媒调配的制程、触媒构造、触媒担体、触媒固定法、触媒性能测试等。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，从1971年至2000年6月总共有10,717件光触媒的相关专利提出申请。二氧化钛 TiO 2 光触媒的广泛应用，将为人们带来清洁的环境、健康的身体。

催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参加反应。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。

光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料，它涂布于基材表面，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。光催化是在光的辐照下使催化剂周围的氧气和水转化成极具活性的氧自由基，氧化力极强，几乎可以分解所有对人体或环境有害的有机物质总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。

早在1839 年, Becquere 就发现了光电现象, 然而未能对其进行理论解释。直到1955 年, Brattain 和Gareet才对光电现象进行了合理的解释, 标志着光电化学的诞生。1972 年, 日本东京大学Fu jishmi a和H onda研究发现[ 3] , 利用二氧化钛单晶进行光催化反应可使水分解成氢和氧。这一开创性的工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究的全面启动。在过去30 年里, 人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果。

以二氧化钛为例, 揭示了其晶体结构、表面羟基自由基以及氧缺陷对量子效率的影响机制; 采用元素掺杂、复合半导体以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可见光响应范围; 通过在其表面沉积贵金属纳米颗粒可以提高电子- 空穴对的分离效率, 提高其光催化活性。尽管人们对光催化现象的认知与应用取得了长足的进步, 然而受认知手段与认知水平的限制, 目前对光催化作用机理的研究成果仍不足以指导光催化技术的大规模工业化应用, 亟待大力开展光催化基本原理研究工作以促进这一领域的发展。另一方面, 现有光催化材料的光响应范围窄, 量子转换效率低, 太阳能利用率低, 依然是制约光催化材料应用的瓶颈。寻找和制备高量子效率光催化材料是实现光能转换的先决条件, 也是光催化材料研究者所需要解决的首要任务之一。

光催化机理：

半导体材料在紫外及可见光照射下，将光能转化为化学能，并促进有机物的合成与分解，这一过程称为光催化。当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光生载流子(电子-空穴对)。在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因为载流子复合而以热的形式耗散。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。大多数有机光降解是直接或间接利用了空穴的强氧化能力。

例如TiO2是一种半导体氧化物，化学稳定性好(耐酸碱和光化学腐蚀)，无毒，廉价，原料来源丰富。 TiO2在紫外光激发会产生电子－空穴对，锐钛型TiO2激发需要3.2 eV的能量，对应于380 nm左右的波长。光催化活性高(吸收紫外光性能强；能隙大，光生电子的还原性和和空穴的氧化性强)。因此其广泛应用于水纯化，废水

处理，有毒污水控制，空气净化，杀菌消毒等领域。

主要的光催化剂类型：

1．1 金属氧化物或硫化物光催化剂

常见的金属氧化物或硫化物光催化剂有TiO，、ZnO、WO3、Fe2O3、ZnS、CdS和PbS等。其中，CdS的禁带宽度较小，与太阳光谱中的近紫外光段有较好的匹配性，可以很好地利用自然光源，但容易发生光腐蚀，使用寿命有限。TiO，具有催化能力强、化学稳定性好、无毒、价格低等优点，是目前研究和应用最广泛的光催化剂。为提高金属氧化物或硫化物光催化剂的催化性能，可对其进行修饰改性。

1)表面修饰的光催化剂：表面修饰的方式主要有沉积贵金属?、掺杂过渡金属离子和半导体的复合等。Et本国立先进工业科学技术研究院的科学家发现，固态合成的钢钽氧化物半导体用镍掺杂后制成的In1-x 一 Ni x Ta04( x为0～0．2)催化剂禁带宽度为1．23eV，可吸收可见光，明显加快水的分解。用N掺杂的TiO 光催化剂TiO2-x一N x对于可见光下亚甲基蓝和乙醛的光催化降解具有很高的活性，掺杂的N在TiO，中的取代位使光催化剂的禁带宽度明显降低，光催化活性大大提高 j。还有研究者提出用染料修饰TiO2来改善其光催化活性。

2)纳米材料光催化剂：当催化剂粒度在1nm～lOnm时，呈现纳米材料的表面效应和量子效应，催化活性提高。纳米催化剂还具有可见光透过性好、光吸收能力强、耐热性好、耐腐蚀和无毒等优点。ZnO作为一种重要的光催化剂，是少数可以实现量子尺寸效应的氧化物半导体材料之一。井立强等研究表明，ZnO超微粒子在光催化降解苯酚的过程中比商品ZnO的光催化活性高得多。

3)负载型光催化剂：负载型光催化剂避免了光催化悬浮体系中催化剂难分离回收的问题，从而实现连续稳定操作。负载方法可以是在基质上制成催化剂膜，或催化剂以微粒状吸附负载于载体上。

4)微波等离子体处理的光催化剂：用微波等离子体处理光催化剂的过程，是利用微波等离子体中的分子离解成化学性质十分活泼的原子或原子团，与光催化剂间进行化学物理作用的过程。Martin等指出，用等离子体化学气相沉积法制备的以玻璃珠为载体的TiO2，膜膜层厚度均匀，具有致密性和良好的粘附性，对乙二酸水溶液的光催化降解有较高的效率。李振旦等¨叫将微波辐射技术用于制备固体超强酸SO42-／TiO2，催化剂。与常规加热法相比，微波加热制备的SO42-／TiO2催化剂使乙烯的光催化氧化分解反应的量子效率大大提高。

1．2 分子筛光催化剂

分子筛是一种高效、高选择性的光催化剂载体，在分子筛的纳米微孔反应场里有一般光催化系统难以实现的光催化性能。Zhang等?报道了Ti—MCM一41和Ti—MCM一48中孔分子筛对CO，在H，O中还原的光催化作用，由于MCM 一41具有的大比表商积而使其光催化活性有所提高。郑珊等研究了负载纳米金属Pd的MCM —TiO，光催化剂，认为沉积在介孔孔道中TiO：表面的纳米Pd有良好的吸收电子作用，可有效减少光生电子和空穴的表面复合，改善光催化性能。

1．3 有机物光催化剂

1)卟啉类化合物光催化剂：具有共轭双键大环的卟琳类化合物在适当的条件下可传递电子，或经光照激发出电子。金星龙等报道¨，高分子金属卟啉具有很高的光敏性，在日光照射下有良好的光催化降解效率，能完全降解混合染料，可用于催化降解各种废水，如染料废水、化工废水和生活污水等。

2)金属酞菁类化合物光催化剂：酞菁类化合物是一种重要的催化剂，它主要用于催化有机反应。金属酞菁类化合物作为光催化剂，在可见光下对于有机化合物如水杨酸、对羟基苯甲酸、罗丹明B、硫代罗丹明B和结晶紫等都能进行有效的光催化降解。

3)光生物催化反应体系：光生物催化反应体系是将无机半导体和微生物酶偶合的反应体系。例如，利用从微生物中分离出的氢化酶和硫氢化酶，经与TiO2，光催化剂偶合后可有效地光解水，也可通过光合作用直接以细菌作为产氢催化剂，和TiO2，等光催化剂偶合放氢。这类体系的产氢机理是光激发半导体产生导带电子，通过电子中继体将电子传递生物体外的酶或细菌中的酶上，再用酶催化产氢，而半导体价带空穴则被体系中的电子给予体消除。

光催化技术的应用

2．1 光催化在环保方面的应用

1)有机污染物的处理：光催化反应能分解多种环保上关注的有机物，还可消毒、脱色等。值得一提的是，光催化能将许多物质降解得十分彻底，最终产物除了CO 和H2O外，初始污染物中含有的卤素、硫、磷和氮等分别被转化为X一、SO42-、PO43-、NO3-等无机盐离子，大大减轻甚至完全消除了危害性。

2)无机污染物的处理：光催化能够解决汞、铬、铅等重金属离子的污染问题。刘森等以ZnO／TiO2为催化剂，以日光为光源，利用ZnO和TiO2的协同光催化作用对电镀含铬废水进行处理，使cr6离子还原为Cr3 离子，再以氢氧化物形式除去后者，从而达到治理的目的。光催化过程同样能够处理其他污染性金属。光催化还可降解氰化物等剧毒污染物”。另外SO42-、NO3-等有害气体均可吸附于光催化剂表面，并在光的作用下转化。

2．2 金属催化剂的制备和贵金属的回收

光催化过程除了用于治理重金属污染外，还可借助其催化还原能力，用于金属催化剂的制备和贵金属的回收。1)金属催化剂的制备：Herrmann等研究表明，在锐钛矿型TiO2的作用下，H PtC1 溶液首先按方程(1)的反应在TiO2 表面沉积出单个的Pt原子¨，然后以此为生长点，Pt离子按方程(2)逐步被还原生成单质金属微粒，得到性能改进的负载型催化剂Pt／TiO2。

Pt+2H20一→Ptu+4H +O (g) (1)

Pt4++ 一→Pt4+一→Pt24+一→Pt2一Pt34+一→…一→Ptm （2）

由Pt、Pd、Rh、Au、Ag和Ir等贵金属的盐溶液出发，均可在光催化作用下在TiO，、ZnO、WO 等表面沉积出金属颗粒，或制成由半导体化合物负载的Pf— Rh、Ag—Rh、Pt—Pd等双金属催化剂。

2)贵金属的回收：利用光催化反应沉积金属离子可实现贵金属的工业提取，例如从银离子溶液中经类似于(1)的反应提取金属银。光催化提取贵金属适用于处理常规方法无能为力的极稀溶液，用较简便的方法使金属富集在催化剂表面后，再用其它方法将其收集回收。

2.3纳米二氧化钛的应用

随着人们生活质量和水平的不断提高，对TiO2光催化杀菌性能进行了不断的开发和利用，并将其广泛应用于日常生活中。根据需要不同，纳米TiO2可制备成粉末或薄膜材料。将纳米TiO2薄膜涂覆于材料表面制备成抗菌材料，如抗菌陶瓷、抗菌玻璃、抗菌不锈钢等，将纳米TiO2粉末掺杂于其他材料中可制备成抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌纤维等。

涂覆TiO2纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷在日本已进行了工业化生产。主要用于医院、食品加工等场所，但抗菌效果受到了光源条件的限制。为了充分利用室内的太阳光和弱光，人们又积极开发了新型的抗菌陶瓷。

制备的表面镀有纳米TiO2薄膜的自清洁陶瓷，在无光照条件下，15min 内对金黄色葡萄球菌的灭菌率超过80% 。制备的TiO2抗菌陶瓷，在普通荧光灯下，对金黄色葡萄球菌的灭菌率可达以85% 。

纳米TiO 2 薄膜涂覆于玻璃（如日用玻璃器皿、平板装饰玻璃等）表面，可制成有杀菌功能的玻璃制品，广泛应用于医院、宾馆等大型公共场所。雷阎盈[24]制备的TiO 2 微晶膜玻璃，具有杀菌广谱高效的特点。自然光照射30 m in 后，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色珠菌的杀菌率均达到90% 以上。纳米TiO 2 薄膜涂覆于不锈钢表面可制备成具有杀菌性能的不锈钢，在食品工业、医疗卫生乃至一般家庭都有广泛的应用前景。汪铭[25]制备了涂覆有A g+/TiO 2 薄膜的抗菌不锈钢，与普通不锈钢相比，其材料性能基本相同，抗菌性能随着膜层中含银量的增加而提高。当含银量大于2% 时，不锈钢的抗菌率可达到90% 以上。

TiO2 晶型结构示意图

2．4 光催化在化学合成方面的应用

1)有机物合成：光催化反应不仅可以降解许多有机化合物，在适当的条件下还可用来合成一些有机化合物，尤其是有机聚合物。Hoffman等研究了量子尺寸CdS光催化剂引发甲基丙烯酸甲酯的聚合反应，并与其它量子尺寸光催化剂作了比较，发现引发该反应的能力依次为：TiO，

2)无机物合成：光催化反应还可用于水分解制氢、合成氨¨等重要无机化学反应过程。利用半导体光催化剂催化水分解制氢，将太阳能转化成化学能，是当今光催化研究领域的热门课题。Karaktisou等的研究表明，当TiO，的表面有其它金属存在时，有利于氢气的生成，双功能Pt—RuO，／TiO，光催化体系是最有效的水分解制氢催化剂，氢的生成速率与溶液pH值呈指数关系，与光照强度和反应体系的搅拌速度呈线性关系。

2．5 光催化在卫生保健方面的应用

由于光催化过程具有强氧化性，对大多数的微生物都有很强杀伤力。因此，可作为杀菌消毒的手段，尤其用于生活用水的净化。光催化不仅能够杀死普通的细胞和病菌，还能使某些癌细胞死亡。Cai等指出，以直径约300A的超

细TiO，悬浮液(100ug／m1)为催化剂，在紫外光下照射10min，可将恶性HeLa细胞完全杀死。光催化治癌并不局限于杀伤人工培养的细胞样品，同样也能杀伤实验动物体内的癌细胞。尽管目前距实际临床应用尚有大量工作要做，但光催化技术在卫生保健方面的潜在应用价值己得到广泛关注。

光催化作用的影响因素

1、水蒸气对二氧化钦光催化剂的影响及光催化剂的失活通常情况下，TiO2镀膜表面与水有较大的接触角，但经紫外光照射后，水的接触角减少到5度以下，甚至可以达到O度(即水滴完全浸润在TiO2的表面)，显示非常强的亲水性。停止光照后，表面亲水性可以维持数小时到1周左右，随后慢慢恢复到照射前的疏水状态。进一步研究证明，在光照条件下，TiO2表而的超亲水性起因于其表面结构的变化:在紫外光的照射下，TiO2价带电子被激发到导带，电子和空穴向TiO2表面迁移，在表而生成电子一空穴对，电子与Ti4+反应，空穴则与表面桥氧离子反应，分别形成正三价的钦离子和氧空位。此时，空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水(表面轻基)，化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层。研究表明，光照时间、光照强度、品面、环境气氛和热处理都会影响到TiO2的表面结构，从而影响到其光催化性能。还有研究表明，反应浓度低时，反应速率受水蒸气的影响不敏感，而反应物浓度高时，水蒸气的存在使反应速率降低。催化剂的失活除了表面氢氧基消耗所导致以外，反应物或反应中间产物在催化剂表面吸附从而占据了活性位也可引起其失活。

2、TiO2纳米粒子的表面积大小对催化作用的影响表面积是决定反应基质吸附量的重要因素。在晶格缺陷等其它因素相同时，表面积大则吸附量大，活性就高。一般认为光催化活性由催化剂吸收光的能力、载流子分离以及向表面转移效率决定。TiO2吸收光的能力越强，光照产生的电子一空穴对越多。分离的电子和空穴在能量弛豫中被底部捕获时，引起氧化还原的几率越大，光催化反应活性也就高。另外，表面的粗糙度、表面的结晶度、表面的轻基等也影响着表面的吸附和电子一空穴的复合，进而影响催化剂的活性。TiO2表面钛羟基(TiOH)结构在光催化过程中起着重要作用，TiO2光催化活性和表面Ti3+数量有关，如果Ti3+数量增加，光催化活性就提高了。 5.3焙烧温度的影响通常情况下，焙烧温度的提高会导致催化活性的降低，因为焙烧温度会对TiO2的表面产生影响。随着焙烧温度的提高，比表面积减少，表面吸附量有明显的减少趋势，并且焙烧温度升高到一定程度时会引起锐钦矿型TiO2向金红石型TiO2转变，这是导致其光催化性能下降的主要原因。

3、pH的影响冷文华等人研究了pH对TiO2催化降解苯胺的影响，指出当pH小于7时，随pH降低TiO2表面的OH一减少。轻基自由基数量的减少，使反应速率下降。并且指出，pH=7左右降解速率有极大值。在光降解过程中，溶液的pH 是氯化芳香烃在TiO2表面吸附的重要参数。Tanaka和Saha研究了pH对TiO2光催化降解的影响。他们发现，在低pH时，TCP在TiO2表面的吸附是可逆的，当pH从3.8增加到6.8时，反应速率增加，其原因是由于OH一浓度的增大。Heather M.coleman在对17-p-oestradiol的研究中指出，pH=7时，降解速率形成峰值，而当pH>10时，降解速率又迅速增加，这是由于pH=7接近17-p-oesrtdaiol本身的PH值，PH>10时，OH一迅速增加所致。 5.5光强度的影响光照强度和催化效果有直接关系。因为单位体积内有效光子数是影响反应速率的直接因素。光照强度越高时，单位体积内所接受的入射光子数越多，在催化剂表面产生的活性物种越多，反应自然就快。但光强度也不是无限制的越高越好。当光子的利用率达到最大时，过多的光子无法得到利用。从经济角度出发，能源的过渡浪费也是不可取的。另外，TiO2的加入量、光波长、氧浓度的变化等都对光催化降解反应有影响。

TiO2光催化原理及应用

TiO2光催化原理及应用 一.前言 在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界围每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并且可能导致二次污染。包括我国在世界围广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比较安全的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。 自然界中，植物、藻类和某些细菌能在太的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或硫化氧）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）。这种光合作用是一系列复杂代反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反应中最简单的形式，但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。 半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物(有机物、无机物)分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域，它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目的，对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。 二.TiO2的性质及光催化原理 许多半导体材料(如TiO2，ZnO，Fe2O3，ZnS，CdS等)具有合适的能带结构可以作为光催化剂。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。 TiO2属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板

光催化原理、应用

广州和风环境技术有限公司 https://www.sodocs.net/doc/ac10411592.html,/ 光催化原理、应用及常见问题 更多有关废气处理核心技术，请百度：和风环境技术。接下来和风带领大家认识一下。 随着全球工业化进程的加速，环境污染问题日益严重，环境治理已受到世界各国的广泛重视，其中政府在环境治理方面投入了巨大的人力、物力和财力对环境净化材料和环境净化技术的研究和产业化提供支持，其中，光催化材料和光催化技术占有重要的地位。TiO2是一种常用的光催化材料，具有活性高、稳定性好，几乎可以无选择地将有机物进行氧化，不产生二次污染，对人体无害，价格便宜等诸多优点，成为最受重视和具有广阔应用前景的光催化材料。 光催化材料在紫外光或太阳光的作用下，激发价带上的电子（e-）跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴（h+），光生空穴与光催化材料表面的水反应，生成羟基自由基，而光生电子与光催化剂表面的氧反应，生成超氧负离子。羟基自由基和超氧负离子具有较强的氧化还原电位，可将挥发性有机物氧化分解成无害的CO2和H2O，达到净化空气、分解挥发性有机物的目的。二氧化钛光催化材料在光照下能一直持续释放自由基，对挥发性有机物进行氧化分解，而自己不发生变化，具有长期活性。

广州和风环境技术有限公司 https://www.sodocs.net/doc/ac10411592.html,/ 1、光催化反应原理 羟基自由基和超氧负离子是除氟之外，最强的氧化剂，但是氟对人体和环境有着巨大的危害，在很多场合不再使用。 2、常温催化材料 光催化材料是一种常温催化材料，可在室温及稍高温度下进行反应（通常低于65℃）。提高光催化材料性能的途径有三个：一个是降低纳米催化材料粒子的粒径，目的在于提高光催化材料的比表面积；二是通过金属掺杂、过渡金属掺杂和非金属离子掺杂改变半导体催化剂的性质来提高光催化性能；三是通过表面修饰和敏化，改变半导体催化剂的表面的形貌和结构，而引起表面性能的优化。 3、光催化材料应用中的影响因素 湿度的影响：光催化反应中，羟基自由基来源于水，所以必须保持有一定的湿度才能持续产生羟基自由基；在闭环的光催化反应中，已经证实随着水的不断消耗，光催化性能在不断的下降。 氧分量的影响：光催化反应中，超氧负离子来源于氧，所以在21%含量的

光催化原理及应用

姓学号：0903032038 合肥学院 化学与材料工程系 固 体 物 理 姓名：杜鑫鑫 班级：09无机非二班 学号：0903032038 课题名称：光催化原理及应用 指导教师：韩成良

光催化原理及应用 引言：目前，全球性环境污染问题受到广泛重视。光催化反应可对污水中的农 药、染料等污染物进行降解，还能够处理多种有害气体；光催化还可应用于贵金属回收、化学合成、卫生保健等方面。光催化反应在化工、能源及环境等领域都有广阔的应用前景。本文论述了主要光催化剂类型及光催化技术的应用研究成果。 关键词：光催化、应用、发展、环境、处理 光催化机理： 半导体材料在紫外及可见光照射下，将光能转化为化学能，并促进有机物的合成与分解，这一过程称为光催化。当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光生载流子(电子-空穴对)。 在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因为载流子复合而以热的形式耗散。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。大多数有机光降解是直接或间接利用了空穴的强氧化能力。 例如TiO 2 是一种半导体氧化物，化学稳定性好(耐酸碱和光化学腐蚀)， 无毒，廉价，原料来源丰富。 TiO 2 在紫外光激发会产生电子－空穴对，锐钛 型TiO 2 激发需要3.2 eV的能量，对应于380 nm左右的波长。光催化活性高(吸收紫外光性能强；能隙大，光生电子的还原性和和空穴的氧化性强)。因此其广泛应用于水纯化，废水处理，有毒污水控制，空气净化，杀菌消毒等领域。 主要的光催化剂类型： 1．1 金属氧化物或硫化物光催化剂 常见的金属氧化物或硫化物光催化剂有TiO，、ZnO、WO 3、Fe 2 O 3 、ZnS、CdS 和PbS等。其中，CdS的禁带宽度较小，与太阳光谱中的近紫外光段有较好的匹配性，可以很好地利用自然光源，但容易发生光腐蚀，使用寿命有限。TiO，具

氧化钛光催化分解甲醛原理

纳米二氧化钛光催化分解甲醛原理 1. 光催化剂的发现历史 自从1972年Fujishima和Honda[2]发现TiO2在受到紫外光照射时可以将水氧化还原生成氢，光催化材料就引起了科研人员的关注。而1976年Carey等[3]将TiO2的光催化作用应用于水中多氯联苯化合物脱氯去毒并取得了成功，从此TiO2作为一种去除有机物的一种有效方法应用到了水和空气的清洁净化领域。1985年，日本科学家Tadashi Matsunaga等[4]第一个发现了TiO2在紫外光下有杀菌作用。近年来科学家们又对TiO2进行了深入的研究，并取得了很大的进步。但是以前的研究多数是用溶胶凝胶负载在基材上，这样的负载量有限，所以对空气的净化的速率较慢。如何能够快速、便捷、安全、有效的除去室内的各种污染物及病菌成为一个亟待解决的问题。纳米TiO2良好的光催化性能使它成为了解决这一问的热点研究方向。纳米TiO2以其催化活性高、化学稳定性好、使用安全，2. 纳米TiO2光催化机理 纳米TiO2是一种n型半导体氧化物，其光催化原理可以用半导体的能带理论来解释[5]。由于TiO2纳米粒子的粒径在1~100 nm，所以其电子的Fermi能级是分立的，而不是像金属导体中的能级是连续的，在纳米TiO2半导体氧化物的原子或分子轨道中具有一个空的能量区域，它介于导带与价带之间，称为禁带[6]，其宽度为eV，当纳米TiO2接受波长为nm以下的光线照射时，其内部价带的电子由于吸收光子跃迁到导带，从而产生空穴-电子对，即光生载流子，然后迅速迁移到其表面并激活被吸附的O2和H2O，产生高活性羟基自由基(·OH)和超氧离子自由基(·O2- )[7]，当污染物以及细菌吸附其表面时，会发生两个步骤：（1）吸收相波长为nm以下的光能，使表面发生光激发而产生光致电子和正的空穴。 （2）在受光照射而产生的电子-空穴中，电子消耗于空气中氧的还原，空穴则将吸附物质氧化，分解这些吸附物质的作用。如下图1： 导带 O2

光催化材料的基本原理

二，光催化材料的基本原理 半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2。 高效光催化剂必须满足如下几个条件：（1）半导体适当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必须满足产H2和产O2的要求。（2）高效的电子-空穴分离能力，降低它们的复合几率。（3）可见光响应特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的4%，如何利用可见光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决条件。常规anatase-type TiO2 只能在紫外光响应，虽然通过搀杂改性，其吸收边得以红移，但效果还不够理想。因此，开发可见光响应的高效光催化材料是该领域的研究热点。只是，现在的研究状况还不尽人意。 三，光催化材料体系的研究概况 从目前的资料来看，光催化材料体系主要可以分为氧化物，硫化物，氮化物以及磷化物 氧化物：最典型的主要是TiO2及其改性材料。目前，绝大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d区，研究的比较多的是含Ti，Nb，

Ta的氧化物或复合氧化物。其他的含W，Cr，Fe，Co，Ni，Zr等金属氧化物也见报道。个人感觉，d区过渡族金属元素氧化物经过炒菜式的狂轰乱炸后，开发所谓的新体系光催化已经没有多大潜力。目前，以日本学者J. Sato为代表的研究人员，已经把目光锁定在p区元素氧化物上，如含有Ga，Ge，Sb，In，Sn，Bi元素的氧化物。 硫化物：硫化物虽然有较小的禁带宽度，但容易发生光腐蚀现象，较氧化物而言，稳定性较差。主要有ＺnＳ，ＣdＳ等 氮化物：也有较低的带系宽度，研究得不多。有Ｔa／Ｎ，Ｎb／Ｎ等体系 磷化物：研究很少，如ＧaＰ 按照晶体/颗粒形貌分类： （1）层状结构 **半导体微粒柱撑于石墨及天然/人工合成的层状硅酸盐 **层状单元金属氧化物半导体如：V2O5，MoO3，WO3等 **钛酸，铌酸，钛铌酸及其合成的碱（土）金属离子可交换层状结构和半导体微粒柱撑于层间的结构 **含Bi层状结构材料，(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba，Bi，Pb；B=Ti，Nb，W)，钙钛矿层(An-1BnO3n+1)2-夹在(Bi2O2)2+层之间。典型的有：Bi2WO6，Bi2W2O9，Bi3TiNbO9

光催化的原理

光催化原理 光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物。 光催化原理 半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构，即在价带(ValenceBand，VB)和导带(ConductionBand，CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系，因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子，而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O，甚至对一些无机物也能彻底分解。 光催化应用技术 利用光催化净化技术去除空气中的有机污染物具有以下特点： 1直接用空气中的氧气做氧化剂，反应条件温和（常温常压） 2可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果彻底。 3半导体光催化剂化学性质稳定，氧化还原性强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长。光催化净化技术具有室温深度氧，二次污染小，运行成本低和可望利用太阳光为反应光源等优点，所以光催化特别合适室内挥发有机物的净化，在深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。 常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物，如TiO2, ZnO,CdS,WO3等，其中TiO2的综合性能最好，应用最广。自1972年Fujishima和Honda发现在受辐照的TiO2上可以持续发生水的氧化还原反应，并产生H2以来，人们对这一催化反应过程进行了大量研究。结果表明，TiO2具有良好的抗光腐蚀性和催化活性，而且性能稳定，价廉易得，无毒无害，是

光催化原理

光催化原理 光催化的原理： 1.光催化净化的基本原理是什么？ (1)它是一种利用新型的复合纳米高科技功能材料的技术。 (2)它一种是低温深度反应技术，光催化剂纳米粒子在一定波长的光线照射下 受激生成电子一空穴对，空穴分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基，电子使 其周围的氧还原成活性离子氧，从而具备极强的氧化一还原作用，将光催化剂表面的各种污染物摧毁。 mm 伽的w啊轴刊蛉恳Mtn抽iok甜1■自翊HI II住萨轉棉割愉沛抽齢讨堰闵鋼離曲毗n 總需旳擁. 2. 光催化净化的技术特征? (1)低温深度反应： 光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则需要在极高的温度下才可将污染物摧毁，即使用常规的催化氧化方法亦需要几百度的高温。

（2）净化彻底： 它直接将空气中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是将污染源转移。 （3）绿色能源： 光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧化一还原反应，而且光催 化剂在反应过程中并不消耗。从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。（4）氧化性强： 大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点，对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有机物具有特别意义，光催化的有效氧化剂是羟基自由基（HO , H0的氧化性高 于常见的臭氧、双氧水、高锰酸钾、次氯酸等。 （5）广谱性： 光催化对从烃到羧酸的种类众多有机物都有效，美国环保署公布的九大类114 种污染物均被证实可通过光催化得到治理，即使对原子有机物如卤代烃、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般经过持续反应可达到完全净化。 （6）寿命长： 理论上，催化剂的寿命是无限长的。 3. 光催化空气净化器基本净化流程

光催化原理及应用

光催化原理及应用 起源 光触媒,就就是一个外来词,起源于日本,由于日本文字写成“光触媒”，所以中国人就直接把她命名为“光触媒”。其实日文“光触媒”翻译成中文应该叫“光催化剂”翻译成英文叫“photｏ catalyst”。光触媒于1９６7年被当时还就就是东京大学研究生得藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中得氧化钛单结晶进行了光线照射,结果发现水被分解成了氧与氢。这一效果作为“ 本多· 藤岛效果” (Hｏｎda-Fujｉshima Effect)而闻名于世,该名称组合了藤岛教授与当时她得指导教师-－－-东京工艺大学校长本多健一得名字。 这种现象相当于将光能转变为化学能,以当时正值石油危机得背景，世人对寻找新能源得期待甚为殷切, 因此这一技术作为从水中提取氢得划时代方法受到了瞩目,但由于很难在短时间内提取大量得氢气,所以利用于新能源得开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。 1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行, 日本得研究机构发表许多关于光触媒得新观念,并提出应用于氮氧化物净化得研究成果。因此二氧化钛相关得专利数目亦最多,其它触媒关连技术则涵盖触媒调配得制程、触媒构造、触媒担体、触媒固定法、触媒性能测试等。以此为契机,光触媒应用于抗菌、防污、空气净化等领域得相关研究急剧增加,从１９71年至2000年6月总共有１０,717件光触媒得相关专利提出申请。二氧化钛ＴiO 2 光触媒得广泛应用,将为人们带来清洁得环境、健康得身体。 催化剂就就是加速化学反应得化学物质，其本身并不参加反应。典型得天然光催化剂就就就是我们常见得叶绿素，在植物得光合作用中促进空气中得二氧化碳与水合成为氧气与碳水化合物。 光触媒就就是一种纳米级得金属氧化物材料,它涂布于基材表面,在光线得作用下,产生强烈催化降解 功能：能有效地降解空气中有毒有害气体;能有效杀灭多种细菌,并能将细菌或真菌释放出得毒素分解及无害化处理;同时还具备除臭、抗污等功能。光催化就就是在光得辐照下使催化剂周围得氧气与水转化成极具活性得氧自由基,氧化力极强,几乎可以分解所有对人体或环境有害得有机物质总得来说纳米光触媒技术就就是一种纳米仿生技术,用于环境净化，自清洁材料，先进新能源,癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。 早在1８39 年, Ｂｅcquere 就发现了光电现象，然而未能对其进行理论解释。直到1955 年，Brattain 与Gaｒeet才对光电现象进行了合理得解释, 标志着光电化学得诞生。１９7２年, 日本东京大学Fu ｊｉshmｉ a与H onｄa研究发现[ 3] ，利用二氧化钛单晶进行光催化反应可使水分解成氢与氧。这一开创性得工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究得全面启动。在过去30 年里, 人们在光催化材料开发与应用方面得研究取得了丰硕得成果。 以二氧化钛为例, 揭示了其晶体结构、表面羟基自由基以及氧缺陷对量子效率得影响机制; 采用元素掺杂、复合半导体以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可见光响应范围; 通过在其表面沉积贵金属纳米颗粒可以提高电子- 空穴对得分离效率，提高其光催化活性。尽管人们对光催化现象得认知与应用取得了长足得进步, 然而受认知手段与认知水平得限制，目前对光催化作用机理得研究成果仍不足以指导光催化技术得大规模工业化应用, 亟待大力开展光催化基本原理研究工作以促进这一领域得发展。另一方面, 现有光催化材料得光响应范围窄, 量子转换效率低，太阳能利用率低, 依然就就是制约光催化材料应用得瓶颈。寻找与制备高量子效率光催化材料就就是实现光能转换得先决条件, 也就就是光催化材料研究者所需要解决得首要任务之一。 光催化机理: 半导体材料在紫外及可见光照射下,将光能转化为化学能,并促进有机物得合成与分解,这一过程称为光催化。当光能等于或超过半导体材料得带隙能量时,电子从价带(VB)激发到导带(ＣB)形成光生载流子(电子-空穴对)。在缺乏合适得电子或空穴捕获剂时,吸收得光能因为载流子复合而以热得形式

催化作用原理(第一、二章)讲解

催化作用原理 《催化作用基础》 课程名称：《催化作用基础》或《催化作用原理》或《催化剂与催化作用》绪论 第一章催化剂与催化作用的基本知识 第二章催化剂的吸附、表面积和孔结构 第三章金属催化剂及其催化作用 第四章半导体催化剂及其催化作用 第五章酸碱催化剂及其催化作用 第六章配位络合物催化剂及其催化作用 第七章催化剂的评价及失活与再生 第八章催化剂的设计和制备 专题讲座： 1. 择形催化与高选择性催化分子筛材料 2. 芳胺N-烷基化反应及其催化剂研究 3. 钛硅（TS-1）分子筛的合成及催化应用 4. 催化新材料：MCM-41等 #现代物理测试手段与催化剂的表征： XRD，SEM，IR，NMR，UV-Vis，UV-Raman，NH3-TPD等 ——催化剂及其催化作用的基础研究

参考书目 1.王桂茹主编，王祥生审， 《催化剂与催化作用》,2000年8月第1版大连理工大学出版社出版[王桂茹，李书纹编（大连工学院石油化工教研室）（讲义） 1986年] 2.吉林大学化学系《催化作用基础》编写组编， 《催化作用基础》 1980年科学出版社出版 3.黄开辉，万惠霖编（厦门大学化学系）， 《催化原理》 1983年科学出版社出版 4.顾伯锷，吴震霄编， 《工业催化过程导论》 1990年高等教育出版社出版 5.王文兴编， 《工业催化》 1982年化学工业出版社出版 6.闵恩泽著，《工业催化剂的研制与开发——我的实践与探索》， 1997年中国石化出版社出版 7.陈连璋编著， 《沸石分子筛催化》 1990年大连理工大学出版社出版 8.徐如人，庞文琴，屠昆岗等著， 《沸石分子筛的结构与合成》1987年吉林大学出版社出版 9.天津大学编，〈〈多相催化作用原理〉〉 10.高滋主编，何鸣元，戴逸云副主编，《沸石催化与分离技术》，中国石化出版

催化作用原理

催化作用原理 目录 绪论 (1) 第一章均相催化 (3) 1.1酸、碱催化剂及其催化作用 (3) 1.1.1概述 (3) 1.1.2酸、碱定义 (3) 1.1.3一般酸、碱催化反应 (3) 1.1.4特殊酸、碱催化反应(略) (5) 1.2络合催化剂及其催化作用 (5) 1.2.1概述 (5) 1.2.2络合催化循环 (5) 1.2.3过渡金属离子的化学键合 (8) 1.2.4络合催化中的关键反应步骤 (9) 1.2.5配位场的影响 (9) 1.2.6羰基合成催化剂的改进 (10) 第二章非均相(多相)催化 (14) 2.1多相催化反应过程 (14) 2.1.1多相催化反应过程 (14) 2.1.2外扩散与外扩散系数（D E） (14) 2.1.3内扩散与内扩散系数（D i） (15) 2.1.4反应物分子的化学吸附： (15) 2.1.5表面反应 (16) 2.1.6产物的脱附。 (16) 2.2吸附作用 (16) 2.2.1吸附等温线 (16) 2.2.2金属表面上的化学吸附 (19) 2.2.3氧化物表面上的化学吸附 (19) 第三章各类催化剂及其催化作用 (20) 3.1固体酸、碱催化剂及其催化作用。 (20) 3.1.1固体酸、碱的定义及分类。 (20) 3.1.2固体表面的酸、碱性质。 (20) 3.1.3酸、碱中心的形成与结构。 (21) 3.1.4固体酸、碱的催化作用。 (27) 3.2分子筛及其催化作用 (30) 3.2.1概述 (30)

3.2.2结构单元及其平面表示 (30) 3.2.3特性： (30) 3.2.4分子筛催化剂的催化性能与调变 (30) 3.3金属催化剂 (35) 3.3.1工业上重要的金属催化剂及催化反应 (35) 3.3.2金属和金属表面的化学键 (35) 3.3.3金属和金属表面的几何构造 (38) 3.3.4晶格缺陷与位错 (40) 3.3.5晶格不规整性与多相催化 (42) 3.3.6金属催化剂催化活性的经验规则 (43) 3.3.7负载型金属催化剂的催化活性 (45) 3.3.8合金催化剂及其催化作用 (46) 3.4金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用 (48) 3.4.1概述 (48) 3.4.2半导体的能带结构及其催化活性 (48) 3.4.3氧化物表面的M=O键性质与催化剂活性、选择性的关联 (49) 3.4.4复合金属氧化物催化剂的结构化学 (51) 3.4.5金属硫化物催化剂及其催化作用 (56) 第四章电催化及光催化 (59) 4.1电催化 (59) 4.1.1电催化和电催化反应 (59) 4.1.2电催化特征 (60) 4.1.3n-型半导体的电催化过程 (61) 4.1.4电极表面结构和吸附、催化性能的关系 (61) 4.2光催化 (62) 4.2.1光催化反应与光催化剂 (62) 4.2.2光催化反应类型 (64) 第五章酶催化 (65) 5.1酶的分类和命名[2] (65) 5.1.1酶的分类 (66) 5.1.2酶的命名法[2] (67) 5.2酶的催化功能的特点 (67) 5.3酶的化学组成 (69)

(精选)半导体材料光催化作用的机理

半导体光催化机理 纳米二氧化钛主要有二种晶体结构，即：锐钛矿和金红石。它们的结构基本单位都是TiO 6八面体，其结构如图1-1所示。二种结构的不同在于八面体的扭曲程度和连接形式。锐钛矿结构由TiO 6八面体通过共边组成，而金红石结构则由共顶点且共边组成。利用纳米TiO 2为光催化剂，在溶液或空气中发生多相光催化降解污染物的反应过程大致包括以下几个主要步骤[5]： 1）TiO 2在光的照射下，被能量大于或等于其禁带宽度的光子所激发，产生具有一定能量的光生电子（e -）和空穴（h +）； 2）光生电子（e -）和空穴（h +）在TiO 2颗粒的内部以及界面之间的转移或失活； 3）光生电子（e -）和空穴（h +）到达TiO 2粒子表面并与其表面吸附物质或溶剂中的物质发生相互作用，即发生氧化还原反应，从而产生一些具有强氧化性的自由基团（?OH ，O 2-）和具有一定氧化能力的物质（H 2O 2）。 4）上述产生的具有强氧化性的自由基团和氧化性物质与被降解污染物充分作用，使其氧化或降解为CO 2与H 2O 。 Fig. 1-1 Ti －O 6 octahedron 图1-1 钛氧八面体 H OH Organic h e +— E g O 2O 2-H 2O OH +2-water 2 2Compounds CO 2 2VB CB sun hv + - ·OH Fig. 1-2 Schematic diagram of photocatalytic degradation on semiconductor photocatalysts (TiO 2) [6]

图1-2 半导体光催化反应原理示意图（TiO 2 ）[6] 以锐钛矿TiO 2光催化材料为例，当TiO 2 光催化剂受到大于其禁带能量的光 照射时，在其内部和表面都会产生光生电子和光生空穴。一部分光生电子和光生空穴参与光催化反应，另外一部分光生电子与空穴会立即发生复合，以热量的形式散发出去。如果二氧化钛中没有电子和空穴俘获剂，储备的光能在几毫秒的时间内就会通过光生电子和空穴的复合以热能的形式释放出来，或以其它形式散发掉；如果在二氧化钛的表面或者体相中有俘获剂或表面缺陷态时，能够有效阻止光生电子和空穴的重新复合，使电子和空穴有效转移，从而能在催化剂表面发生一系列的氧化-还原反应，将吸收的光能转换为化学能。如图1-2所示[6,7]。以下是一些具体的化学反应式： TiO 2 + h→ h vb+ + e cb- (1－1) h vb + + e cb -→ heat (1－2) h vb + + H 2 O →·OH + H+ (1－3) h vb + + OH-→·OH (1－4) e cb - + O 2 →O 2 -· (1－5) O 2-· + O 2 -· + 2H+→H 2 O 2 + O 2 (1－6) O 2-· + H+→HO 2 · (1－7) HO 2· + H+ + e cb -→H 2 O 2 (1－8) H 2O 2 + h→2·OH (1－9) H 2O 2 + e cb -→·OH + OH- (1－10) 上面的反应式子中，羟基自由基(·OH)和超氧离子自由基(·O 2 -)都有很强 的氧化性，无论它们在气相还是在液相中，都能将一些有机或无机物质氧化，因此，一般认为，·OH和·O 2 -是光催化氧化中主要的也是最重要的活性基团，可 以氧化包括自然界中生物难以转化的各种有机物污染物并使之最后降解成CO 2 、 H 2 O和无毒矿物。对反应的作用物几乎没有选择性，在光催化氧化反应过程中起着决定性作用。而且由于它们的氧化能力强，氧化反应一般不会停留在中间步骤，因而一般不会产生中间副产物。故这种深度氧化的过程在处理环境污染物中具有很大的应用前景，例如：水中的无机、有机污染物卤代烃、芳烃、染料、杀虫剂和除草剂等物质均可根据此原理进行降解除去。但是它们的最大缺点之一是对反应物没有选择性，一定程度上制约了其发展。

TiO2光催化原理及应用

TiO 2光催化原理及应用 一.前言在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界范围内每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并且可能导致二次污染。包括我国在内世界范围内广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比较安全的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用范围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。 自然界中，植物、藻类和某些细菌能在太阳光的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或 硫化氧）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）。这种光合作用是一系列复杂代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反应中最简单的形式，但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。 半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物（有机物、无机物）分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域，它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太阳光作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目的，对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。 二.TiO2的性质及光催化原理 许多半导体材料（如TiO2, ZnO, Fe2O3, ZnS, CdS等）具有合适的能带结构可以作为光催化剂。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化- 还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。 TiO2属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板钛矿的光催化性能和稳定性最差，基本没有相关的研究和应用。而锐钛矿型和金红石型均属四方晶系，两种晶型都是由相互连接的TiO6八面体组成的，每个Ti原子都位于八面体的中心，且被6个0原子围绕。两者的差别主要是八面体的畸变程度和相互连接方式不同。金红石和锐钛矿晶胞

光催化材料的基本原理

二，光催化材料的基本原理 令狐采学 半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2。 高效光催化剂必须满足如下几个条件：（1）半导体适当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必须满足产H2和产O2的要求。（2）高效的电子-空穴分离能力，降低它们的复合几率。（3）可见光响应特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的4%，如何利用可见光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决条件。常规anatase-type TiO2 只能在紫外光响应，虽然通过搀杂改性，其吸收边得以红移，但效果还不够理想。因此，开发可见光响应的高效光催化材料是该领域的研究热点。只是，现在的研究状况还不尽人意。 三，光催化材料体系的研究概况 从目前的资料来看，光催化材料体系主要可以分为氧化物，硫化物，氮化物以及磷化物 氧化物：最典型的主要是TiO2及其改性材料。目前，绝大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d区，研究的比较多的是含Ti，Nb，Ta的氧化物或复合氧化物。其他的含W，Cr，Fe，Co，

Ni，Zr等金属氧化物也见报道。个人感觉，d区过渡族金属元素氧化物经过炒菜式的狂轰乱炸后，开发所谓的新体系光催化已经没有多大潜力。目前，以日本学者J. Sato为代表的研究人员，已经把目光锁定在p区元素氧化物上，如含有Ga，Ge，Sb，In，Sn，Bi元素的氧化物。 硫化物：硫化物虽然有较小的禁带宽度，但容易发生光腐蚀现象，较氧化物而言，稳定性较差。主要有ＺnＳ，ＣdＳ等 氮化物：也有较低的带系宽度，研究得不多。有Ｔa／Ｎ，Ｎb ／Ｎ等体系 磷化物：研究很少，如ＧaＰ 按照晶体/颗粒形貌分类： （1）层状结构 **半导体微粒柱撑于石墨及天然/人工合成的层状硅酸盐 **层状单元金属氧化物半导体如：V2O5，MoO3，WO3等 **钛酸，铌酸，钛铌酸及其合成的碱（土）金属离子可交换层状结构和半导体微粒柱撑于层间的结构 **含Bi层状结构材料，(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba，Bi，Pb；B=Ti，Nb，W)，钙钛矿层(An-1BnO3n+1)2-夹在(Bi2O2)2+层之间。典型的有：Bi2WO6，Bi2W2O9，Bi3TiNbO9 **层状钽酸盐：RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm) （2）通道结构 比较典型的为BaTi4O9，A2Ti6O13（A=K，Na，Li，等）。这类结构往往比层状结构材料具有更为优异的光催化性能。研究认

TiO2光催化原理和应用

TｉＯ2光催化原理及应用 一、前言 在世界人口持续增加以及广泛工业化得过程中，饮用水源得污染问题日趋严重。根据世界卫生组织得估计,地球上２2％得居民日常生活中得饮用水不符合世界卫生组织建议得饮用水标准.长期摄入不干净饮用水将会对人得身体健康造成严重危害，世界范围内每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡.水中得污染物呈现出多样化得趋势,常见得污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规得饮用水净化技术有氯气、臭氧与紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但就是这些方法对新生得污物往往不就是非常有效，并且可能导致二次污染.包括我国在内世界范围内广泛应用得氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害得高氯酸盐。臭氧消毒就是比较安全得消毒方法，但就是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持,并且日常得维护都需要专业得技术人员；吸附法一般需要消耗大量得吸附剂,使用过得吸附剂一般需要额外得处理。这些缺点限制了它们得应用范围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单得净化水技术。 自然界中,植物、藻类与某些细菌能在太阳光得照射下，利用光合色素将二氧化碳(或硫化氧）与水转化为有机物,并释放出氧气(或氢气）。这种光合作用就是一系列复杂代谢反应得总与,就是生物界赖以生存得基础,也就是地球碳氧循环得重要媒介。光化学反应得过程与植物得光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解与间接光解两类.直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收得能量使反应物得电子在轨道间得转移，当强度够大时，可造成化学键得断裂，产生其它物质。直接光解就是光化学反应中最简单得形式,但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。 半导体在光得照射下,能将光能转化为化学能，促使化合物得合成或使化合物(有机物、无机物)分解得过程称之为半导体光催化。半导体光催化就是光化学反应得一个前沿研究领域,它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行得反应在比较温与得条件下顺利进行。与传统技术相比,光催化技术具有两个最显著得特征:第一，光催化就是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气与土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳与水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太阳光作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目得,对净化受无机重金属离子污染得废水及回收贵金属亦有显著效果。 二、ＴiO２得性质及光催化原理 许多半导体材料（如ＴiO2，ZnO，Fe2O３，ZｎS,CdＳ等）具有合适得能带结构可以作为光催化剂。但就是,由于某些化合物本身具有一定得毒性,而且有得半导体在光照下不稳 以其化学性质稳定、氧定，存在不同程度得光腐蚀现象.在众多半导体光催化材料中，TiＯ ２ 化－还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用得半导体光催化剂。 TｉＯ２属于一种n型半导体材料,它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相与板钛矿相，板

二氧化钛光催化原理讲解学习

TiO2光催化氧化机理 TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-）;而价带中则相应地形成光生空穴(h+)，如图1-1所示。 如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染 物，将其矿化为无机小分子、CO 2和H 2 O等无害物质。 反应过程如下： 反应过程如下： TiO2+ hv → h+ +e- (3) h+ +e-→热能（4） h+ + OH- →·OH (5) h+ + H2O →·OH + H+(6) e- +O2→ O2- （7）O2 + H+ → HO2·(8) 2 H2O·→ O2 + H2O2(9) H2O2+ O2 →·OH + H+ + O2(10) ·OH + dye →···→ CO2 + H2O (11) H+ + dye→···→ CO2 + H2O (12) 由机理反应可知,TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。 Ti02光催化氧化的影响因素 1、试剂的制备方法 常用Ti02光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。不同方法制得的Ti02粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。同时在制备过程中有无复合，有无掺杂等对光降解也有影响。Ti02的制备方法在许多文献上都有详细的报道，这里就不再赘述。

光催化原理

光催化原理 光催化的原理： （1）它是一种利用新型的复合纳米高科技功能材料的技术。 （2）它一种是低温深度反应技术，光催化剂纳米粒子在一定波长的光线照射下受激生成电子—空穴对，空穴分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基，电子使其周围的氧还原成活性离子氧，从而具备极强的氧化—还原作用，将光催化剂表面的各种污染物摧毁。 （1）低温深度反应： 光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则需要在极高的温度下才可将污染物摧毁，即使用常

规的催化氧化方法亦需要几百度的高温。 （2）净化彻底： 它直接将空气中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是将污染源转移。 （3）绿色能源： 光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。（4）氧化性强： 大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点，对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有机物具有特别意义，光催化的有效氧化剂是羟基自由基（HO），HO的氧化性高于常见的臭氧、双氧水、高锰酸钾、次氯酸等。 （5）广谱性： 光催化对从烃到羧酸的种类众多有机物都有效，美国环保署公布的九大类114 种污染物均被证实可通过光催化得到治理，即使对原子有机物如卤代烃、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般经过持续反应可达到完全净化。 （6）寿命长： 理论上，催化剂的寿命是无限长的。

光催化原理

光催化原理 半导体的能带结构通常是由一个充满电子的低价带和一个高空的高能导带构成，价带和导带之间的区域称为禁带，域的大小称为禁带宽度。半导体的禁带宽度一般为0.2~3.0eV，是一个不连续区域。半导体的光催化特性就是由它的特殊能带结构所决定的。当用能量等于或大于半导体带隙能的光波辐射半导体光催化时，处于价带上的电子就会被激发到导带上并在电场作用下迁移到例子表面，于是在价带上形成了空穴，从而产生了具有高活性的空穴电子对。空穴可以夺取半导体表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本部吸收光的物质被激活并被氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。 光解主要是利用185和O2结合产生的臭氧，185直接作用辅助，光催化也一样，光催化就是利用了254波长照射TIO2二氧化钛在有水分情况下产OH-，这个有强氧化性，也可以分解一部分有机气体，光催化是日本传进来的。但光催化产生的0H-自由基只能附着在固体网的表面，存活时间是10的负5至负6次方秒，时间短。不过一直在产生，一次性分解效率一般不会超过5%，适合用在家用空气净化机对室内空气往返循环的环境。254波长的都可以的，185波长的更可以，波长越短能量越强。只是185NM波长的只能在真空环境了存在，在普通有空气的环境射程短，大部分和O2结合把O2电离成了O+O,O+O2生产了O3臭氧，但185的在灯管近距离总还是有一部分 该公司的国内首先开发的高功率与超高功率低气压UV放电管发出的具有代表性的紫外线是253.7nm及184.9nm，光子能量分别为472KJ/mol和647KJ/mol，能切断绝大多数的分子结合。UV照射固体表面后，表面的污染物有机分子结合

光催化原理

光催化原理 半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带(ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e?)和空穴(h+)。空穴具有强氧化性，能够与吸附在微粒表面的物质发生反应(a)。电子和空穴通过电场力的作用或扩散的方式运动迁移，迁移到半导体表面的空穴通常被OH?和H2O俘获，生成HO?，HO?是一种氧化能力很强的自由基，几乎无选择地氧化多种有机物，是光催化氧化的主要活性物质，而迁移到半导体表面的电子通常被吸附在微粒表面的电子受体O2俘获, 生成O2?。、HOO?等一系列自由基，它们能够参与多个氧化还原过程(b)，一般采用电子自旋捕捉技术（ESR）、荧光光度法（FL）、紫外－可见光度法（UV）等进行跟踪检测。 TiO2+ hν →h+ + e?h+ + H2O ads → OH? h+ + HOads- → OH? O2 + e?→O2?。→→HOO?→→H2O2→→ OH? h++ Organics → Products OH? + Organics → Products (a) (b) Mechanism of the photocatalytic reaction under UV light irradiation 同时，电子和空穴也能够在催化剂粒子内部（途径B）或表面（途径A）发生复合并以热量的方式将激发能释放。电子和空穴的复合过程会降低光催化反应的量子效率，对光催化反应十分不利。 因此，光催化反应的量子效率取决于载流子的复合几率，载流子复合过程则主要取决于两个因素：一为载流子在催化剂内部或表面的复合几率；其二为表面电荷迁移过程。提高表面电荷迁移速率能够抑制电荷载流子复合，增加光催化反应的量子效率。