光催化與靜電紡絲ppt

1、 講解內(nèi)容講解內(nèi)容 1.光催化 2.靜電紡絲 3.靜電紡絲與光催化技術(shù)的結(jié)合 光催化光催化 光催化 概述 研究方 向 難題 一一. .光催化概述光催化概述 1.定義：定義： 1.11.1光催化劑：光催化劑：是一種在光的照射下，自身不起 變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。 1.21.2光催化光催化：是利用存在的光能轉(zhuǎn)換成為化 學(xué)反應(yīng)所需的能量，來(lái)產(chǎn)生催化作用，使周 圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的自由 負(fù)離子。幾乎可分解所有對(duì)人體和環(huán)境有害 的有機(jī)物質(zhì)及部分無(wú)機(jī)物質(zhì)，不造成資源浪 費(fèi)與附加污染形成。 一一.光催化概述光催化概述 2.機(jī)理機(jī)理： 一一.光催化概述光催化概述 2.2.機(jī)理：機(jī)理：半導(dǎo)

2、體的能帶是不連續(xù)的,其充滿電子 的低能價(jià)帶和空的高能導(dǎo)帶,之間存在著一個(gè)禁帶, 其價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底的能量差稱為禁帶寬度或帶隙。 當(dāng)用光子能量等于或大于禁帶寬度的光照射半導(dǎo)體 時(shí),其價(jià)帶中的部分電子就會(huì)被激發(fā),從價(jià)帶越過(guò)禁 帶躍遷到導(dǎo)帶,從而可以在導(dǎo)帶和價(jià)帶分別形成光 生電子和光生空穴。這使得它們可遷移到光催化劑 的表面并與吸附在那里的分子、有機(jī)物等發(fā)生能量 和電荷交換,產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的物質(zhì),這些物質(zhì) 是直接參與化學(xué)反應(yīng)的主要活性物質(zhì),也不排除光 生電子和空穴直接與反應(yīng)物作用的可能性。 一一.光催化概述光催化概述 半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底代表 了電子還原能力的極 限,導(dǎo)帶底越高,導(dǎo)帶電 子的還原能力越強(qiáng)

3、,只 有還原電勢(shì)在導(dǎo)帶底 以下的物質(zhì)才可能被 還原；半導(dǎo)體的價(jià)帶 頂代表空穴氧化能力 的極限,價(jià)帶頂越低,價(jià) 帶空穴的氧化能力越 強(qiáng),只有氧化電勢(shì)在價(jià) 帶頂以上的物質(zhì)才能 被氧化。 一一.光催化概述光催化概述 3.光催化的應(yīng)用光催化的應(yīng)用 1.降解甚至礦化幾乎所有的有機(jī)污染物如有 機(jī)磷化物、含鹵素化合物、表面活性劑、染 料、油類等。 2.還原金屬離子。 3.光催化還常用于殺菌消毒。 二二.研究方向研究方向 1.1.摻雜、摻雜、 2.2.光敏化光敏化 3.3.復(fù)合半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體 4.4.改變形貌改變形貌 5.5.新型催化劑研究新型催化劑研究 3.3.催化劑載體的研究催化劑載體的研究 TiO2不

4、僅光照穩(wěn)定,耐酸 堿性好,無(wú)毒,而且在紫 外輻射下具有較高的光 催化活性,是當(dāng)前最有 應(yīng)用潛力的一種光催化 劑. 1.1 1.1 金屬摻雜金屬摻雜 金屬離子摻雜 將一定量的金屬離子引入到半導(dǎo)體晶格 中,影響光生載流子的產(chǎn)生、遷移復(fù)合及其 轉(zhuǎn)化過(guò)程,從而影響半導(dǎo)體的光催化活性。 由于金屬離子的能級(jí)位于半導(dǎo)體的禁帶中, 從而將半導(dǎo)體吸收光波長(zhǎng)的范圍擴(kuò)展到可見(jiàn) 光區(qū)。 1.1 1.1 金屬摻雜金屬摻雜 摻雜后比表面積普遍增大，其中Mg-TiO2的比表面積最大，孔隙體 積最大，Co-TiO2的比表面積最小，孔隙體積最小。但是其比表面 積大于純的TiO2，原因可能是金屬的嵌入抑制了TiO2的聚集。 1.

5、1 1.1 金屬摻雜金屬摻雜 摻雜后吸收波長(zhǎng)均出現(xiàn)紅移，摻雜Mg的移動(dòng)最不顯著 1.2 1.2 金屬摻雜金屬摻雜 峰值越高表示電子-空穴復(fù)合速率越快，圖中顯示摻雜鎂的 峰值最高，摻雜銀的峰值最低。 1.1 1.1 金屬摻雜金屬摻雜 除了摻雜Co的，其余的對(duì)于苯和甲苯的去除效率都有 提高，其中對(duì)甲苯去除效率高于苯 1.2 1.2 非金屬摻雜非金屬摻雜 摻雜N后出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，紫外光下處理效率基本不變， 在可見(jiàn)光下對(duì)污染物處理效率提高。 2.2.光敏化光敏化 光敏化光敏化 指選取特殊的能夠吸收可見(jiàn)光的活性化合物,如有 機(jī)染料、腐殖酸、多不飽和脂肪酸等,以物理或化 學(xué)方法吸附于半導(dǎo)體光催化劑的表面,與

6、寬禁帶半 導(dǎo)體形成復(fù)合物。只要該活性化合物激發(fā)態(tài)的電勢(shì) 比半導(dǎo)體導(dǎo)帶電勢(shì)更負(fù),在可見(jiàn)光照射下,就能使該 活性化合物激發(fā)態(tài)上的電子遷移到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶, 從而使半導(dǎo)體的吸收波長(zhǎng)擴(kuò)展至可見(jiàn)光范圍。 常用的光敏劑：常用的光敏劑：釘毗嚨類絡(luò)合物、欽薔染料、花菩 染料、熒光素衍生物、葉氯酸等 3.3.復(fù)合半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體 定義：定義：將兩種或兩種以上半導(dǎo)體以某種方式復(fù)合后, 其光化學(xué)、光物理方面的性質(zhì)都會(huì)發(fā)生很大的改變, 其意義首先在于復(fù)合不同能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,為利 用窄禁帶的半導(dǎo)體敏化寬禁帶的半導(dǎo)體提供了可能, 這對(duì)以寬禁帶半導(dǎo)體作為主催化劑的光催化反應(yīng)具 有重要的意義。其次,對(duì)二元復(fù)合半導(dǎo)體,兩種半導(dǎo)

7、 體之間的能級(jí)差產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)能使光生載流子由 一種半導(dǎo)體注入到另一種半導(dǎo)體,使光生電子一空 穴徹底分離,從而提高光催化劑的活性。 3.3.復(fù)合半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體 3. 3.復(fù)合半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體（TiO2摻雜摻雜CdS） 摻雜后降低了電子空穴復(fù)合率 增加對(duì)可見(jiàn)光的利用率。 3.3.復(fù)合半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體（TiOTiO2 2摻雜摻雜CdSCdS） 4.4.改變形貌改變形貌 （1）0維納米顆粒 （2）一維納米管 （3）二維納米片 （4）三維花狀結(jié)構(gòu)和球形結(jié)構(gòu) 減少光生電子和空穴的復(fù)合，提高其量子效 率。 5.5.新型催化劑研究新型催化劑研究 新型的光催化材料:例如AgAg3 3POPO4 4，Ag/A

8、gClAg/AgCl等 含銀類化合物材料，這類光催化劑在光催 化降解污染物時(shí)具有極好的光催化活性， 比我們已經(jīng)知道較好二氧化鈦光催化活性 高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這些新型光催化材料 在環(huán)境凈化方面具有巨大應(yīng)用潛力。此外， 其它一些新型光催化材料，主要包括BiBi2 2O O3 3、 BiVOBiVO4 4鉍系復(fù)合物材料鉍系復(fù)合物材料，鎢錳礦型復(fù)合氧化 物，g-C3N4g-C3N4等無(wú)金屬半導(dǎo)體材料和鈣鈦礦 型復(fù)合氧化物。 紫外光 365nm (1)NiO作為載體 NiO的加入有助于提高催化效率 6.6.載體制備載體制備 NiO與TiO2易 形成P-N結(jié)， 抑制電子-空 穴的復(fù)合。 TiO2均勻分 布

9、在NiO載體 表面。 TG-0.05TG-0.05的石墨烯光催化降解空氣中丙酮時(shí)的光催化活性最高的石墨烯光催化降解空氣中丙酮時(shí)的光催化活性最高 （2）.石墨烯作載體 石墨烯是一種單層 石墨，高導(dǎo)電率， 優(yōu)異的電子遷移率 和非常大的比表面 積，成本低廉。 6.6.載體制備載體制備 光催化中存在的難題光催化中存在的難題 1.制備高效率的催化劑，進(jìn)一步完善催化劑 的改性技術(shù)，提高催化劑的光催化活性。 2.制備合適的催化劑載體，便于回收利用。 3.研制新型光催化劑。 靜電紡絲靜電紡絲 靜電紡 絲 概述 研究方 向 難題 靜電紡絲靜電紡絲 一一. .靜電紡絲概述：靜電紡絲概述： 1.1.電紡絲電紡絲：又

10、稱為靜電紡絲，是一種利用聚合物溶 液或者熔體（有機(jī)，無(wú)機(jī)，復(fù)合）在強(qiáng)電場(chǎng)作用下 形成單根納米和微米級(jí)別超細(xì)纖維的工藝。 2.2.電紡絲工作原理：電紡絲工作原理： 靜電紡絲靜電紡絲 電紡絲技術(shù)的基本原理：電紡絲技術(shù)的基本原理： 帶電聚合物溶液或熔融物 在高壓靜電場(chǎng)中受到電場(chǎng) 力的作用被拉伸，當(dāng)電場(chǎng) 力大于聚合物液滴的表面 張力時(shí)，聚合物將形成噴 射細(xì)流，在噴射過(guò)程中溶 劑揮發(fā)或熔融的聚合物由 于溫度降低而凝固，在接 收網(wǎng)上能得到無(wú)紡布狀的 纖維氈。 靜電紡絲靜電紡絲 3.3.靜電紡絲特點(diǎn)靜電紡絲特點(diǎn) （1）直徑范圍 一般在3nm-5m， 比常規(guī)方法制得 的纖維直徑小幾 個(gè)數(shù)量級(jí) （2）孔隙率高、

11、 比表面積大、纖 維精細(xì)程度與均 一性高、長(zhǎng)徑比 大 二二.目前纖維的研究方向：目前纖維的研究方向： 1.單根纖維形貌的研究 單根電紡絲纖維的尺寸和立體形貌受到很多因素 的 影響，主要包括: (a) 電紡絲溶液的內(nèi)在因素：粘度、彈性、電導(dǎo)率、 表面張力。 (b) 電紡絲技術(shù)的操作參數(shù)：靜電電壓、針頭孔徑 大小及其與收集器之間的距離。 (c) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境：濕度、溫度等。 2.纖維組裝微觀形貌的研究 3.纖維聚集體宏觀形貌的研究 靜電紡纖維的結(jié)構(gòu)模式靜電紡纖維的結(jié)構(gòu)模式 目前，大部分靜電紡絲研究采目前，大部分靜電紡絲研究采 用平板收集器可以收集到無(wú)規(guī)排用平板收集器可以收集到無(wú)規(guī)排 列纖維膜。列纖維膜

12、。 近年來(lái)，通過(guò)對(duì)電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)近年來(lái)，通過(guò)對(duì)電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn) ，可以制備出大面積、高厚度、雜亂、定，可以制備出大面積、高厚度、雜亂、定 向、中空、芯殼、大孔、圖案化和三維結(jié)向、中空、芯殼、大孔、圖案化和三維結(jié) 構(gòu)等纖維支架。構(gòu)等纖維支架。 1.定向排列電紡纖維定向排列電紡纖維 在常規(guī)收集器上鑿開(kāi)一在常規(guī)收集器上鑿開(kāi)一 個(gè)槽，通過(guò)一個(gè)附加電場(chǎng)個(gè)槽，通過(guò)一個(gè)附加電場(chǎng) 作用，纖維平行取向地橫作用，纖維平行取向地橫 跨槽兩邊，這種做法還可跨槽兩邊，這種做法還可 以很方便地將制得的納米以很方便地將制得的納米 纖維轉(zhuǎn)移到其他基底上纖維轉(zhuǎn)移到其他基底上 提高纖維膜提高纖維膜力學(xué)力學(xué) 性能性能 2

13、.芯殼結(jié)構(gòu)電紡纖維芯殼結(jié)構(gòu)電紡纖維 用用同軸毛細(xì)管同軸毛細(xì)管替代普通的噴替代普通的噴 嘴可以生產(chǎn)芯殼結(jié)構(gòu)的納米嘴可以生產(chǎn)芯殼結(jié)構(gòu)的納米 纖維。纖維。 1.外層溶液與內(nèi)層溶液外層溶液與內(nèi)層溶液不能互溶不能互溶 2.對(duì)兩種溶液的對(duì)兩種溶液的粘度粘度也有也有 一定的要求一定的要求 3.中空結(jié)構(gòu)電紡纖維中空結(jié)構(gòu)電紡纖維 用用同軸毛細(xì)管同軸毛細(xì)管可以直接制備空心納可以直接制備空心納 米纖維，也可通過(guò)除去芯殼纖維的米纖維，也可通過(guò)除去芯殼纖維的 芯層得到中空纖維芯層得到中空纖維 4.高孔隙率電紡纖維膜高孔隙率電紡纖維膜 原理：電紡纖維有優(yōu)先沉積在導(dǎo)電模板上原理：電紡纖維有優(yōu)先沉積在導(dǎo)電模板上 孔隙率可孔隙

14、率可 以通過(guò)滾以通過(guò)滾 筒的轉(zhuǎn)速筒的轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 高孔隙率纖維膜表面積顯著增大高孔隙率纖維膜表面積顯著增大 5.圖案化結(jié)構(gòu)電紡纖維膜圖案化結(jié)構(gòu)電紡纖維膜 原理：電紡纖維原理：電紡纖維 優(yōu)先沉積在導(dǎo)電優(yōu)先沉積在導(dǎo)電 模板上。模板上。 纖維可以在纖維可以在網(wǎng)格線上網(wǎng)格線上以及以及網(wǎng)格的對(duì)角網(wǎng)格的對(duì)角 線之間定向排列線之間定向排列。在沉積位置的選擇。在沉積位置的選擇 上，纖維更加傾向于沉積到網(wǎng)格模板上，纖維更加傾向于沉積到網(wǎng)格模板 中的中的凸起凸起位置。位置。 方法簡(jiǎn)單方法簡(jiǎn)單 成本較低成本較低 應(yīng)用前景大應(yīng)用前景大 靜電紡絲與光催化技術(shù)的結(jié)合靜電紡絲與光催化技術(shù)的結(jié)合 減小顆粒尺寸以達(dá)到更大比表面積， 提供更多的活性點(diǎn)從而提高催化活性。 1.TiO2與Cu 添加Cu 后纖維 直徑變 粗，纖 維表面 變粗糙。 TiO2CuAC和TiO2CuNPS和TiO2 1.TiO2與Cu 光致發(fā)光譜:摻雜氧化銅的電子空穴復(fù)合率低 1.TiO2與Cu 可見(jiàn)光下?lián)诫s銅的物質(zhì)對(duì)RB，RO染料有較高處理 效