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,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,光生電子和空穴就會與水或有機(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)有效地擴(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改性來實現(xiàn)TiO2可見光催化的一個最大的優(yōu)點是拓Ti02可見光催化活性的同時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，電子就會不斷地從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。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,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道,主要集中在以