催化與吸附課程作業(yè)

1、TiO2光催化及其改性研究趙金芝13341861.光催化以及光催化原理2.光催化材料-TiO23.TiO2光催化劑改性-可見光化 主要內(nèi)容光催化及光催化原理從能帶理論可知,當(dāng)半導(dǎo)體吸收能量大于禁帶寬度的光子時(shí),激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對,激發(fā)的電子和空穴遷移到半導(dǎo)體顆粒的表面,當(dāng)能帶邊緣位置符合某種要求時(shí),光生電子和空穴就會(huì)與水或有機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng),從而產(chǎn)生光催化作用。較好的光催化材料光催化材料高的光催化活性匹配的價(jià)帶能級高級的納米結(jié)構(gòu)良好的化學(xué)穩(wěn)定性耐光腐蝕更寬的光譜響應(yīng)范圍光催化劑-TiO2最早用作涂料較高的折射指數(shù)1929年，發(fā)現(xiàn)“鈦白”現(xiàn)象-能使顏料褪色TiO2光催化1972年日本科學(xué)家

2、Fujishima等人發(fā)現(xiàn)了TiO2在光照條件下可以分解水產(chǎn)生氫氣，從而拉開了TiO2光催化的序幕。1976年Carey等人陸續(xù)報(bào)道了紫外光下TiO2可以使難降解有機(jī)物發(fā)生光催化降解的發(fā)現(xiàn)，使得TiO2光催化降解技術(shù)引起了廣泛的重視。最穩(wěn)定的光催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難溶，無毒，成本低TiO2光催化劑改性Ti02是寬禁帶半導(dǎo)體化合物,只有波長較短的太陽能才能被吸收,太陽能利用率很低;Ti02光生電子和空穴復(fù)合幾率很高,導(dǎo)致其光催化效率較低。解決方法：降低Ti02禁帶寬度使吸收光譜向可見光擴(kuò)展是提高太陽能利用率的技術(shù)關(guān)鍵。能源短缺，環(huán)境污染有效地利用太陽能可見光光催化劑TiO2的可見光化3.1非金屬

3、摻雜3.2金屬元素?fù)诫s3.3表面貴金屬沉積3.4半導(dǎo)體復(fù)合3.5光電催化技術(shù)TiO2的可見光化3.1非金屬摻雜非金屬元素的摻雜一般是在Ti02中引入晶格氧空位,或部分氧空位被非金屬元素取代,使Ti02的禁帶窄化,從而擴(kuò)寬光的響應(yīng)范圍。對于非金屬元素的摻雜,研究主要集中在周期表中氧附近的元素,如B、C、N、S、F等近幾年的研究表明,陰離子摻雜可以將光催化劑的光譜響應(yīng)有效地?cái)U(kuò)展到可見光范圍,目前Ti02的非金屬元素?fù)诫s改性己成為Ti02可見光研宄領(lǐng)域最具活力的方向。之一,利用非金屬元素?fù)诫s改性來實(shí)現(xiàn)TiO2可見光催化的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是拓Ti02可見光催化活性的同時(shí)又不影響到紫外光的催化活性。TiO

4、2的可見光化3.2金屬元素?fù)诫s金屬離子摻雜就是將一定量的雜質(zhì)金屬離子引入到半導(dǎo)體晶格中,改變半導(dǎo)體的能級結(jié)構(gòu)和表面性能,進(jìn)而改變光催化歷程,提高光催化反應(yīng)的量子產(chǎn)率。摻雜金屬離子應(yīng)遵循以下原則:(1)摻雜離子的能級比Ti02的能級低;(2)選用具有全充滿或半充滿電子構(gòu)型的過渡金屬離子會(huì)使捕獲的電子容易釋放出來,從而延長光生電子-空穴的壽命,提高光量子產(chǎn)率;(3)高價(jià)離子摻雜形成的強(qiáng)電場使光生電子.空穴得到有效分離,從而增強(qiáng)光降解效果,低價(jià)離子則相反;(4)金屬離子半徑和離子類型應(yīng)與Ti4+相近以便較易取代晶格位置上的Ti4+或進(jìn)入晶格間隙TiO2的可見光化3.3表面貴金屬沉積 貴金屬修飾TiO

5、2，是通過改變體系中的電子分布影響TiO2的表面性質(zhì)，進(jìn)而提高其光催化活性。貴金屬的功函數(shù)要高于TiO2的功函數(shù)，F(xiàn)ermi能級低于半導(dǎo)體。當(dāng)兩種材料接觸時(shí)，電子就會(huì)不斷地從TiO2向沉積金屬遷移，直到二者的Fermi能級相等。在金屬-TiO2界面上形成能俘獲電子的Schottky能壘，進(jìn)一步抑制光生電子和空穴的復(fù)合TiO2的表面金屬Pt修飾后的能帶變化以及電子流向TiO2的可見光化目前研究較多的幾種貴金屬元素為Pt、Rh、Au、Ag、等其制備的主要方法有浸漬法還原、光還原法及溶膠-凝膠法等。TiO2的可見光化3.4半導(dǎo)體復(fù)合對于光催化劑的半導(dǎo)體復(fù)合可提高系統(tǒng)的電荷光催化劑分離效果，提高量子效

6、率，同時(shí)又?jǐn)U展光催化劑的光譜響應(yīng)范圍，從而提高光催化效果。在大于420 nm的光子輻射下，不足以激發(fā)復(fù)合光催化劑中的TiO2，但卻可以激發(fā)CdS，使其發(fā)生電子躍遷。光激發(fā)產(chǎn)生的空穴留在CdS的價(jià)帶，電子則躍遷到TiO2的導(dǎo)帶上。這種電子從CdS向TiO2的遷移，不僅大大擴(kuò)寬了TiO2的光譜響應(yīng)范圍，而且有效地減少了光生電子-空穴的復(fù)合概率，提高了光催化劑的量子效率。光電催化技術(shù)的結(jié)合兩種不同能量轉(zhuǎn)化形式，催化特點(diǎn)鮮明的高級氧化處理技術(shù)光電協(xié)同催化氧化技術(shù)就是通過固定化技術(shù)把光催化劑負(fù)載在導(dǎo)電基體上制成工作電極,在提供光照的基礎(chǔ)上,通過外加陽極偏壓在電極內(nèi)部形成一個(gè)電勢梯度,使光生電子通過外電路

7、遷移出催化劑表面流向陰極,阻止光生電子和空穴的復(fù)合。這種光電化學(xué)系統(tǒng)還將導(dǎo)帶電子的還原過程同價(jià)帶空穴的氧化過程從空間位置上分開,結(jié)果大大增加了半導(dǎo)體表面空穴氧化的效率且防止了氧化中間產(chǎn)物在陰極上的再還原。光電催化技術(shù)是一種有效的降解有機(jī)污染物的方法。結(jié)論1.光催化氧化技術(shù)被認(rèn)為是解決環(huán)境污染問題的最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一,已成為環(huán)境領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。2.二氧化鈦由于具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗光腐蝕、無毒和低成本等優(yōu)點(diǎn),在光電轉(zhuǎn)化和光催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。3.Ti02是寬禁帶半導(dǎo)體化合物, 太陽能利用率很低，以及光生電子和空穴復(fù)合幾率很高,導(dǎo)致其光催化效率較低。因此降低Ti02禁帶寬度使吸收光譜向可見光擴(kuò)展是提高太陽能利用率的技術(shù)關(guān)鍵。4.目前對于納米TiO2的各種改性方法研宄有大量報(bào)道,主要集中在以