光催化技術(shù)與應(yīng)用

1、關(guān)于光催化技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁(yè)，共69頁(yè)u 納米納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介光催化劑簡(jiǎn)介u納米納米TiO2光催化劑的制備光催化劑的制備u納米納米TiO2光催化劑的表征光催化劑的表征u 納米納米TiO2光催化劑的應(yīng)用光催化劑的應(yīng)用第六章 光催化技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁(yè)，共69頁(yè) 什么是多相光催化？什么是多相光催化？ 多相光催化多相光催化是指在有光參與的情況下，發(fā)生在催化劑及表面吸附物是指在有光參與的情況下，發(fā)生在催化劑及表面吸附物（如（如H2O，O2分子和被分解物等）之間的一種光化學(xué)反應(yīng)。分子和被分解物等）之間的一種光化學(xué)反應(yīng)。 光催化反應(yīng)是光和物質(zhì)之間相互作用的多種方式之一，是光反應(yīng)和

2、催化光催化反應(yīng)是光和物質(zhì)之間相互作用的多種方式之一，是光反應(yīng)和催化反應(yīng)的融合，是光和催化劑同時(shí)作用下所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)的融合，是光和催化劑同時(shí)作用下所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。 納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁(yè)，共69頁(yè) 半導(dǎo)體光催化劑有半導(dǎo)體光催化劑有ZnS、TiO2、ZnO、CdS、SnO2和和Fe3O4等，但是等，但是ZnS、ZnO、 SnO2 、CdS 和和Fe3O4等的光腐蝕現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重降低了等的光腐蝕現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重降低了催化活性，而催化活性，而TiO2是一種新型的無(wú)機(jī)金屬氧化物材料，它是一種是一種新型的無(wú)機(jī)金屬氧化物材料，它是一種N型半型半導(dǎo)體材料，由于具有較大的比表

3、面積和合適的禁帶寬度，因此具導(dǎo)體材料，由于具有較大的比表面積和合適的禁帶寬度，因此具有優(yōu)異的光催化活性，并且價(jià)格便宜，無(wú)毒無(wú)害，且能夠連續(xù)使有優(yōu)異的光催化活性，并且價(jià)格便宜，無(wú)毒無(wú)害，且能夠連續(xù)使用而不失活。用而不失活。納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁(yè)，共69頁(yè) 納米納米TiO2是一種附加值很高的精細(xì)無(wú)機(jī)功能材料，尺寸約在是一種附加值很高的精細(xì)無(wú)機(jī)功能材料，尺寸約在1nm100nm之間。由于顆粒尺寸的微細(xì)化，使得納米之間。由于顆粒尺寸的微細(xì)化，使得納米TiO2具有塊狀材具有塊狀材料所不具備的獨(dú)特性質(zhì)。其特有的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表料所不具備的獨(dú)特性質(zhì)。其特有的小尺寸效應(yīng)、量子尺

4、寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、介電限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，導(dǎo)致納米二氧化鈦的面效應(yīng)、介電限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，導(dǎo)致納米二氧化鈦的光催化活性、降解有機(jī)物的深度以及光量子產(chǎn)率均較常規(guī)氧化鈦有光催化活性、降解有機(jī)物的深度以及光量子產(chǎn)率均較常規(guī)氧化鈦有大幅度的提高，因而納米氧化鈦光催化材料正成為納米科技較早直大幅度的提高，因而納米氧化鈦光催化材料正成為納米科技較早直接造福人類的有力工具。接造福人類的有力工具。 納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁(yè)，共69頁(yè)半導(dǎo)體是指電導(dǎo)率在金屬電導(dǎo)率（約半導(dǎo)體是指電導(dǎo)率在金屬電導(dǎo)率（約104106/cm)和電介質(zhì)電導(dǎo)率（和電介質(zhì)電導(dǎo)率（1-10 /cm)之間的物質(zhì)

5、，一般的它的禁帶寬度之間的物質(zhì)，一般的它的禁帶寬度Eg小于小于3eV。 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶 禁帶禁帶Eg 3eV摻雜半導(dǎo)摻雜半導(dǎo)體體 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 （依靠自由電子進(jìn)行導(dǎo)電）（依靠自由電子進(jìn)行導(dǎo)電） P型半導(dǎo)體（依靠空穴進(jìn)行導(dǎo)電）型半導(dǎo)體（依靠空穴進(jìn)行導(dǎo)電）半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（純的半導(dǎo)體，不含有任何雜質(zhì)，禁帶中本征半導(dǎo)體（純的半導(dǎo)體，不含有任何雜質(zhì)，禁帶中不存在半導(dǎo)體電子的狀態(tài)不存在半導(dǎo)體電子的狀態(tài),即缺陷能級(jí)即缺陷能級(jí))納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁(yè)，共69頁(yè) 實(shí)際半導(dǎo)體中，由于半導(dǎo)體材料中不可避免地存在雜質(zhì)和各類缺陷，實(shí)際半導(dǎo)體中，由于半導(dǎo)體材料中不可避免地存

6、在雜質(zhì)和各類缺陷，使電子和空穴束縛在其周圍，成為捕獲電子和空穴的陷阱，產(chǎn)生局域化使電子和空穴束縛在其周圍，成為捕獲電子和空穴的陷阱，產(chǎn)生局域化的電子態(tài)，在禁帶中引入相應(yīng)電子態(tài)的能級(jí)。的電子態(tài)，在禁帶中引入相應(yīng)電子態(tài)的能級(jí)。N型半導(dǎo)體的缺陷能級(jí)型半導(dǎo)體的缺陷能級(jí)Ed靠近導(dǎo)帶，靠近導(dǎo)帶，P型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的Ea靠近價(jià)帶?？拷鼉r(jià)帶。 EcEdEv價(jià)帶價(jià)帶EcEaEv導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 P型半導(dǎo)體的能級(jí)型半導(dǎo)體的能級(jí)N型半導(dǎo)體的能級(jí)型半導(dǎo)體的能級(jí)納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁(yè)，共69頁(yè) LUMO HOMO 原子 軌道 分子 軌道 簇物 量子化 粒子 半導(dǎo)體 N=1 N=2 N=1

7、0 N=2000 N2000 能 量 導(dǎo) 帶 價(jià) 帶 半導(dǎo)體能帶寬度與粒子大小半導(dǎo)體能帶寬度與粒子大小N()的關(guān)系示意圖的關(guān)系示意圖納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介為什么要用納米半導(dǎo)體光催化劑？為什么要用納米半導(dǎo)體光催化劑？ 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁(yè)，共69頁(yè) 各種常用半導(dǎo)體的能帶寬度和能帶邊緣電位示意圖（各種常用半導(dǎo)體的能帶寬度和能帶邊緣電位示意圖（pH = 0）納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁(yè)，共69頁(yè)光催化技術(shù)的發(fā)展歷史光催化技術(shù)的發(fā)展歷史 納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁(yè)，共69頁(yè)TiO2光催化劑的優(yōu)點(diǎn)光催化劑的優(yōu)點(diǎn)納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁(yè)，共69頁(yè)TiO2的

8、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)金紅石型：共頂點(diǎn)且共邊金紅石型：共頂點(diǎn)且共邊銳鈦礦型銳鈦礦型:共邊共邊TiO2晶型結(jié)晶型結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介TiO2是是n型半導(dǎo)體，氧空位（型半導(dǎo)體，氧空位（O2-）缺位是點(diǎn)缺陷部位，包括晶格氧空位、單橋氧空）缺位是點(diǎn)缺陷部位，包括晶格氧空位、單橋氧空位、雙橋氧空位。位、雙橋氧空位?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁(yè)，共69頁(yè) Crystal structuresRelative density Type of latticeLattice constantLengths of Ti-O bond/nmEg/eVacanatase3.84Tetragonal sy

9、stem 5.279.370.1953.2rutile4.22Tetragonal system 9.055.80.1993brookite4.13Rhombic systemTiO2晶體的基本物性晶體的基本物性納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁(yè)，共69頁(yè)銳鈦礦相和金紅石相銳鈦礦相和金紅石相TiO2的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)CB/e-VB/h+CB/e-3.2eV3.0eVVB/h+0.2eVl兩者的價(jià)帶位置相同，光生空兩者的價(jià)帶位置相同，光生空穴具用相同的氧化能力穴具用相同的氧化能力;但銳鈦但銳鈦礦相導(dǎo)帶的電位更負(fù)，光生電礦相導(dǎo)帶的電位更負(fù)，光生電子還原能力更強(qiáng)子還原能力更強(qiáng)l混晶效應(yīng)：

10、銳鈦礦相與金紅石混晶效應(yīng)：銳鈦礦相與金紅石相混晶氧化鈦中，銳鈦礦表面相混晶氧化鈦中，銳鈦礦表面形成金紅石薄層，這種包覆型形成金紅石薄層，這種包覆型復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效地提高電子復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效地提高電子-空空穴的分離效率穴的分離效率納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁(yè)，共69頁(yè) TiO2光催化材料的特性光催化材料的特性研究方向：TiO2改性，提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率及光催化效率 TiO2是當(dāng)前最具有應(yīng)用潛力的光催化劑納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁(yè)，共69頁(yè)TiO2光催化劑的催化機(jī)理光催化劑的催化機(jī)理半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體存在一系列的滿帶，最上面的滿帶成為價(jià)帶（半導(dǎo)體存

11、在一系列的滿帶，最上面的滿帶成為價(jià)帶（valence b a n d，V B） ； 存 在 一 系 列 的 空 帶 ， 最 下 面 的 空 帶 稱 為 導(dǎo) 帶） ； 存 在 一 系 列 的 空 帶 ， 最 下 面 的 空 帶 稱 為 導(dǎo) 帶（conduction band，CB）；價(jià)帶和導(dǎo)帶之間為禁帶。）；價(jià)帶和導(dǎo)帶之間為禁帶。 當(dāng)用能量等與或大于禁帶寬度（當(dāng)用能量等與或大于禁帶寬度（Eg）的光照射時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的）的光照射時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子可被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，這樣就在半導(dǎo)體電子可被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，這樣就在半導(dǎo)體內(nèi)部生成電子（內(nèi)部生

12、成電子（e-）空穴（）空穴（h+）對(duì)。）對(duì)。納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁(yè)，共69頁(yè)半導(dǎo)體價(jià)帶的光激發(fā)半導(dǎo)體價(jià)帶的光激發(fā)固體中的光激發(fā)和脫激過(guò)程固體中的光激發(fā)和脫激過(guò)程空氣和溶液空氣和溶液中通常是氧中通常是氧納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁(yè)，共69頁(yè)光生電子光生電子空穴對(duì)的氧化還原機(jī)理空穴對(duì)的氧化還原機(jī)理納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁(yè)，共69頁(yè)TiO2光催化主要反應(yīng)步驟光催化主要反應(yīng)步驟捕捕獲獲導(dǎo)導(dǎo)帶帶電電子子生生成成Ti3+ hv復(fù)復(fù)合合 價(jià)價(jià)帶帶空空穴穴誘誘發(fā)發(fā)氧氧化化反反應(yīng)應(yīng)捕捕獲獲價(jià)價(jià)帶帶空空穴穴生生成成Titanol基基團(tuán)團(tuán)導(dǎo)導(dǎo)帶帶電電子子誘誘

13、發(fā)發(fā)還還原原反反應(yīng)應(yīng)納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁(yè)，共69頁(yè)TiO2光催化反應(yīng)基本原理及主要基元反應(yīng)步驟光催化反應(yīng)基本原理及主要基元反應(yīng)步驟 納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁(yè)，共69頁(yè)光催化反應(yīng)類型光催化反應(yīng)類型u反應(yīng)物被光激發(fā)后，在催化劑作用下引起的催化反應(yīng)反應(yīng)物被光激發(fā)后，在催化劑作用下引起的催化反應(yīng)(催化的光反應(yīng)催化的光反應(yīng))：u由激發(fā)的催化劑由激發(fā)的催化劑K*所引起的催化反應(yīng)（敏化的光反應(yīng)）所引起的催化反應(yīng)（敏化的光反應(yīng)）u催化劑和反應(yīng)物有很強(qiáng)的相互作用，如生成配合物，后者再經(jīng)激催化劑和反應(yīng)物有很強(qiáng)的相互作用，如生成配合物，后者再經(jīng)激發(fā)進(jìn)行的催化反應(yīng)（一般為均

14、相反應(yīng)）發(fā)進(jìn)行的催化反應(yīng)（一般為均相反應(yīng)）u在經(jīng)多次激發(fā)后的催化劑作用下引發(fā)的催化反應(yīng)（催化劑的光調(diào)節(jié)）在經(jīng)多次激發(fā)后的催化劑作用下引發(fā)的催化反應(yīng)（催化劑的光調(diào)節(jié)）u光催化氧化光催化氧化-還原反應(yīng)還原反應(yīng)A+ hvA*A* +K(AK)*B + KK+hvK*K*+A(AK)*B+KA+A KA K+hv(A K )*B+KK納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁(yè)，共69頁(yè) TiO2光催化活性的光催化的影響因素光催化活性的光催化的影響因素lTiO2晶體結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)的影響 在在 TiO2的三種晶型銳鈦礦、金紅石和板鈦礦中，銳鈦礦表現(xiàn)出較高的活性，的三種晶型銳鈦礦、金紅石和板鈦礦中，

15、銳鈦礦表現(xiàn)出較高的活性，原因如下：原因如下：納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁(yè)，共69頁(yè)lTiO2表面結(jié)構(gòu)的影響表面結(jié)構(gòu)的影響 光催化過(guò)程主要在催化劑表面發(fā)生，對(duì)于單純的光催化過(guò)程主要在催化劑表面發(fā)生，對(duì)于單純的TiO2光催化劑，影響其光催化劑，影響其光催化活性的表面性質(zhì)如下光催化活性的表面性質(zhì)如下： 納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁(yè)，共69頁(yè)l催化劑顆粒直徑的影響催化劑顆粒直徑的影響 催化劑粒子的粒徑越小，單位質(zhì)量的粒子數(shù)越多，比表面積越大，催化催化劑粒子的粒徑越小，單位質(zhì)量的粒子數(shù)越多，比表面積越大，催化活性越高；但比表面積的增大，意味著復(fù)合中心的增多，如果當(dāng)復(fù)合

16、反應(yīng)活性越高；但比表面積的增大，意味著復(fù)合中心的增多，如果當(dāng)復(fù)合反應(yīng)起主導(dǎo)作用的時(shí)候，粒徑的減小會(huì)導(dǎo)致活性的降低。起主導(dǎo)作用的時(shí)候，粒徑的減小會(huì)導(dǎo)致活性的降低。 當(dāng)粒徑在當(dāng)粒徑在110nm級(jí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生量子效應(yīng)。級(jí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生量子效應(yīng)。半導(dǎo)體禁帶明顯變寬，電子空穴對(duì)的氧化半導(dǎo)體禁帶明顯變寬，電子空穴對(duì)的氧化能力增強(qiáng)。能力增強(qiáng)。 半導(dǎo)體電荷遷移速率增加，電子與空穴的復(fù)半導(dǎo)體電荷遷移速率增加，電子與空穴的復(fù)合幾率降低。合幾率降低?；钚栽龃蠡钚栽龃蠹{米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁(yè)，共69頁(yè)l溶液溶液pH值的影響值的影響 TiO2在水中的零電點(diǎn)（電荷為零的點(diǎn)）為在水中的零電點(diǎn)（電荷為零的點(diǎn)）為p

17、H=6.25當(dāng)當(dāng)溶溶液液pH值值較較高高時(shí)，時(shí)，由由于于OH-的的存存在，在，TiO2表表面面帶帶負(fù)負(fù)電電荷，荷，有有利利于于光光生生空空穴穴向向表表面面遷遷移移對(duì)于不同的物質(zhì)光催化降解有不同的最佳pH值，而且對(duì)于降解的影響非常顯著實(shí)踐證明，在pH=39時(shí)，TiO2通常具有較好的催化活性納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁(yè)，共69頁(yè)l其他影響因素其他影響因素 除了前面提過(guò)的影響因素外，外加氧化劑、光源、光強(qiáng)、反應(yīng)液中的鹽除了前面提過(guò)的影響因素外，外加氧化劑、光源、光強(qiáng)、反應(yīng)液中的鹽等外界條件都可以對(duì)等外界條件都可以對(duì)TiO2的光催化活性產(chǎn)生一定的影響。的光催化活性產(chǎn)生一定的影響。納米

18、TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁(yè)，共69頁(yè) 提高提高TiO2光催化活性的途徑光催化活性的途徑 目前的目前的TiO2光催化劑存在兩個(gè)問(wèn)題：光催化劑存在兩個(gè)問(wèn)題： 量子效率低量子效率低 太陽(yáng)能利用率低太陽(yáng)能利用率低解決方法：解決方法：貴金屬沉積貴金屬沉積復(fù)合半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體離子摻雜修飾離子摻雜修飾表面光敏化表面光敏化 表面還原處理表面還原處理表面鰲合及衍生作用表面鰲合及衍生作用超強(qiáng)酸化超強(qiáng)酸化納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁(yè)，共69頁(yè)l貴金屬沉積貴金屬沉積沉積沉積Ag后的后的TiO2光催化性能光催化性能 光生電子在Ag島上富集，光生空穴向TiO2晶粒表面遷移，這樣行成的微電

19、池促進(jìn)了光生電子和空穴的分離，提高了光催化效率。 納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁(yè)，共69頁(yè)l復(fù)合半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體 偶合型復(fù)合半導(dǎo)體電荷分離示意圖偶合型復(fù)合半導(dǎo)體電荷分離示意圖 SnO2TiO2電子轉(zhuǎn)移過(guò)程示意圖電子轉(zhuǎn)移過(guò)程示意圖 納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁(yè)，共69頁(yè)l離子摻雜修飾離子摻雜修飾 摻雜離子提高摻雜離子提高TiO2光催化效率的機(jī)制可以概括為以下幾個(gè)方面：光催化效率的機(jī)制可以概括為以下幾個(gè)方面：納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁(yè)，共69頁(yè) 氮摻雜的二氧化鈦帶隙結(jié)構(gòu)氮摻雜的二氧化鈦帶隙結(jié)構(gòu) 納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁(yè)，共6

20、9頁(yè)l表面光敏化表面光敏化 S*ShvCBVB一AVBCBCBVBASAS一 光敏化的作用機(jī)理光敏化的作用機(jī)理敏化劑激發(fā)后電子轉(zhuǎn)移敏化劑激發(fā)后電子轉(zhuǎn)移電子轉(zhuǎn)移給受體電子轉(zhuǎn)移給受體催化劑再生催化劑再生納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁(yè)，共69頁(yè)l表面還原處理表面還原處理一方面，隨著一方面，隨著TiO2表面表面Ti3+位的增多，位的增多，TiO2的費(fèi)米能級(jí)升高，界面勢(shì)壘增的費(fèi)米能級(jí)升高，界面勢(shì)壘增大，減少了電子在表面的積累及與空穴的進(jìn)一步復(fù)合大，減少了電子在表面的積累及與空穴的進(jìn)一步復(fù)合另一方面，在另一方面，在TiO2表面，表面，Ti3+通過(guò)吸附分子氧，也形成了捕獲光生電子通過(guò)吸附分子

21、氧，也形成了捕獲光生電子的部位的部位 對(duì)于對(duì)于TiO2光催化反應(yīng)，電子向分子氧的轉(zhuǎn)移是光催化氧化反應(yīng)的光催化反應(yīng)，電子向分子氧的轉(zhuǎn)移是光催化氧化反應(yīng)的速度限制步驟，故表面速度限制步驟，故表面Ti3+數(shù)量越多，越有利于電子向分子氧的轉(zhuǎn)移。數(shù)量越多，越有利于電子向分子氧的轉(zhuǎn)移。納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介 TiO2表面具有鈦羥基結(jié)構(gòu)，他是捕獲光生電子和空穴的淺勢(shì)阱。與鈦羥表面具有鈦羥基結(jié)構(gòu)，他是捕獲光生電子和空穴的淺勢(shì)阱。與鈦羥基相比，基相比，Ti3+是一種更有效的光生電子界面轉(zhuǎn)移部位。是一種更有效的光生電子界面轉(zhuǎn)移部位?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁(yè)，共69頁(yè)l表面螯合及衍生作用表面螯合及衍生作用 表面衍生

22、作用及金屬氧化物在表面衍生作用及金屬氧化物在TiO2表面的螯合可進(jìn)一步改善界表面的螯合可進(jìn)一步改善界面電子傳遞效果，進(jìn)而影響面電子傳遞效果，進(jìn)而影響TiO2光催化活性。光催化活性。1.可有效延長(zhǎng)光生電子可有效延長(zhǎng)光生電子-空穴的復(fù)合時(shí)間?？昭ǖ膹?fù)合時(shí)間。2.能造成光催化劑能造成光催化劑TiO2的導(dǎo)帶向更負(fù)方向移動(dòng)。的導(dǎo)帶向更負(fù)方向移動(dòng)。l超強(qiáng)酸化超強(qiáng)酸化 增強(qiáng)催化劑表面酸性是提高光催化效率的一條新途徑。增強(qiáng)催化劑表面酸性是提高光催化效率的一條新途徑。 一方面，通過(guò)二氧化鈦的一方面，通過(guò)二氧化鈦的SO42-表面修飾（超強(qiáng)酸化），使催化劑表面修飾（超強(qiáng)酸化），使催化劑結(jié)構(gòu)明顯改善，有效地抑制了晶相

23、轉(zhuǎn)變，使得具有高光催化活性的銳結(jié)構(gòu)明顯改善，有效地抑制了晶相轉(zhuǎn)變，使得具有高光催化活性的銳鈦礦含量增加、晶粒度變小、比表面積增大、表面氧缺陷位增加。鈦礦含量增加、晶粒度變小、比表面積增大、表面氧缺陷位增加。 另一方面，另一方面，SO42-/TiO2超強(qiáng)酸催化劑表面由于受到超強(qiáng)酸催化劑表面由于受到SO42-誘導(dǎo)的相鄰誘導(dǎo)的相鄰L酸中酸中心和心和B酸中心組成了基團(tuán)協(xié)同作用的超強(qiáng)酸中心增大了表面酸量及氧的吸附酸中心組成了基團(tuán)協(xié)同作用的超強(qiáng)酸中心增大了表面酸量及氧的吸附量。量。納米TiO2光催化劑簡(jiǎn)介現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁(yè)，共69頁(yè)納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁(yè)，共69頁(yè) 制備方法制備方法

24、優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 不足不足 液相沉淀法液相沉淀法粒徑小，原料便宜易得粒徑小，原料便宜易得工藝流程長(zhǎng)、廢液多、工藝流程長(zhǎng)、廢液多、產(chǎn)物損失較大，純度低產(chǎn)物損失較大，純度低 溶膠溶膠-凝膠法凝膠法粒徑小，分布窄，晶型為銳鈦粒徑小，分布窄，晶型為銳鈦礦型，純度高，熱穩(wěn)定性好礦型，純度高，熱穩(wěn)定性好有機(jī)溶劑來(lái)控制水解速有機(jī)溶劑來(lái)控制水解速度，致使成本較高度，致使成本較高 醇鹽水解法醇鹽水解法常溫進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗少，常溫進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗少，純度高純度高大量有機(jī)溶劑來(lái)控制水大量有機(jī)溶劑來(lái)控制水解速度解速度,致使成本較高致使成本較高 微乳液法微乳液法可有效控制可有效控制TiO2顆粒的尺寸顆粒的尺寸 易團(tuán)聚易

25、團(tuán)聚 水熱法水熱法晶粒完整，粒徑小，分布均勻，晶粒完整，粒徑小，分布均勻，原料要求不高，成本相對(duì)較低原料要求不高，成本相對(duì)較低反應(yīng)條件為高溫、高壓，反應(yīng)條件為高溫、高壓，材質(zhì)要求高材質(zhì)要求高液相法液相法納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁(yè)，共69頁(yè) l液相沉淀法液相沉淀法傳統(tǒng)的方法（前軀體：傳統(tǒng)的方法（前軀體：TiCl4,Ti(SO4)2）改進(jìn)后的方法改進(jìn)后的方法(前軀體：前軀體：TiOCl2不加堿性沉淀劑不加堿性沉淀劑)TiOCl2 水溶液水溶液65 以下水解以下水解100 左右水解左右水解白色晶型沉淀白色晶型沉淀白色晶型沉淀白色晶型沉淀加熱干燥加熱干燥加熱干燥加熱干燥金紅石型納米金紅石

26、型納米TiO2粉體粉體銳鈦礦型納米銳鈦礦型納米TiO2粉體粉體無(wú)定形的無(wú)定形的Ti(OH)4TiCl4或或Ti(SO4)2過(guò)濾過(guò)濾洗洗滌滌干燥干燥600煅燒煅燒銳鈦礦銳鈦礦型型TiO2800800煅燒煅燒金紅石型金紅石型TiO2氨水氨水,NaOH, (NH4)2CO3 納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁(yè)，共69頁(yè)l溶膠溶膠-凝膠法凝膠法(Sol-Gel) (前驅(qū)體前驅(qū)體(TNB)納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁(yè)，共69頁(yè)l醇鹽水解沉淀法醇鹽水解沉淀法(前驅(qū)體前驅(qū)體(TNB)醇鹽水解法合成醇鹽水解法合成TiO2的工藝流程圖的工藝流程圖納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁(yè)，共69

27、頁(yè)l水熱法水熱法1. 前驅(qū)體前驅(qū)體:（TNB , NaOH 調(diào)整調(diào)整pH)納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁(yè)，共69頁(yè)2.前驅(qū)體前驅(qū)體:TNB,尿素水解尿素水解納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁(yè)，共69頁(yè)3.前驅(qū)體前驅(qū)體:TiCl4，NaOH 調(diào)整調(diào)整pH2mTiCl410mlC2H5OH A NaOH 1,3,5,7mlBHydrothermal reactor White TiO2powerCentrifugalLavationDryingCool180 ,8h納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁(yè)，共69頁(yè)l微乳液法前驅(qū)體前驅(qū)體:TiCl4,NaOH，HCl調(diào)整調(diào)整pH洗滌洗

28、滌干燥干燥 白色白色TiO2粉末粉末混合混合超聲超聲透明溶液透明溶液A混合混合超聲超聲透明溶液透明溶液B 混合混合 ,調(diào)整調(diào)整pH反應(yīng)釜反應(yīng)釜180 ,8h冷卻冷卻離心離心16.8ml 正庚烷正庚烷 2.7ml 正己醇正己醇1.5g CTAB 1.8 ml TiCl4溶液溶液 16.8ml 正庚烷正庚烷 1.5gCTAB 2.7ml 正己醇正己醇納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁(yè)，共69頁(yè)小結(jié)：小結(jié)： 通過(guò)對(duì)各種方法制備出的納米通過(guò)對(duì)各種方法制備出的納米TiO2對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用溶膠凝膠法制備的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用溶膠凝膠法制備的納米納米TiO2具有粒徑小，分布窄，晶型為銳鈦礦型，純度高，熱穩(wěn)定具

29、有粒徑小，分布窄，晶型為銳鈦礦型，純度高，熱穩(wěn)定性好，產(chǎn)率較高等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常具有發(fā)展?jié)摿Φ暮铣煞椒?。是性好，產(chǎn)率較高等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常具有發(fā)展?jié)摿Φ暮铣煞椒?。是有可能?yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的合成納米材料的方法。有可能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的合成納米材料的方法。納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁(yè)，共69頁(yè)摻雜型納米摻雜型納米TiO2的制備的制備l水熱法（摻雜水熱法（摻雜Au）納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十五頁(yè)，共69頁(yè)l微乳液法（摻稀土元素）微乳液法（摻稀土元素）納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十六頁(yè)，共69頁(yè)l溶膠溶膠-凝膠法凝膠法(摻雜過(guò)渡金屬摻雜過(guò)渡金屬)納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第

30、四十七頁(yè)，共69頁(yè)納米納米TiO2光催化劑的負(fù)載光催化劑的負(fù)載 由于粉體的納米由于粉體的納米TiO2過(guò)程中存在著使用和回收不便的問(wèn)題，在過(guò)程中存在著使用和回收不便的問(wèn)題，在實(shí)際的應(yīng)用中很難利用，因此需要對(duì)實(shí)際的應(yīng)用中很難利用，因此需要對(duì)TiO2進(jìn)行負(fù)載，以便在實(shí)際中進(jìn)行負(fù)載，以便在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用。得到很好的應(yīng)用。納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十八頁(yè)，共69頁(yè)l浸漬法浸漬法（載體為石棉繩、沸石、分子篩（載體為石棉繩、沸石、分子篩）石石棉棉繩繩 沸沸石石分分子子篩篩100 干干燥燥納納米米TiO2溶溶膠膠浸浸泡泡2h,除除乙乙醇醇灼灼燒燒,600 8h負(fù)負(fù)載載型型納納 米米TiO2催催化

31、化性性能能 測(cè)測(cè)定定24h納米TiO2的制備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十九頁(yè)，共69頁(yè)納米TiO2光催化劑的表征XRD溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十頁(yè)，共69頁(yè)晶粒直徑計(jì)算晶粒直徑計(jì)算BBKtcosScherrers FormulaK =0.89= 0.154178nmB = 0.564*/180 = 0.00984 t = 0.89* / (B Cos B) = 0.89* 0.154178nm / 0.00984 * Cos (25.337/2) = 13.9nmK：謝樂(lè)常數(shù)：謝樂(lè)常數(shù)B：衍射峰值半高寬的寬化程：衍射峰值半高寬的寬化程度度納米TiO2光催化劑的表征現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十一頁(yè)

32、，共69頁(yè)FE-SEM images of Fe/Ce co-doped TiO2 energy spectrum for Fe/Ce co-doped TiO2 納米TiO2光催化劑的表征現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十二頁(yè)，共69頁(yè)納米TiO2光催化劑的表征 adsorption/desorption curves and pore diameter/pore volume curves for TiO2 and Fe/Ce co-doped TiO2 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十三頁(yè)，共69頁(yè)催化性能的測(cè)試催化性能的測(cè)試03060901201501802100510152025 Undoped TiO2 2%

33、Cr/TiO2 10% Pd/TiO2 10% RE/TiO2 Concentration / mg/LTime / min降解苯酚降解苯酚現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十四頁(yè)，共69頁(yè)降解甲醛（分子篩負(fù)載）降解甲醛（分子篩負(fù)載）510152025305060708090100 Degradation of formaldehyde by photocatalyst I at different times Degradation efficiency/%t/h510152025305060708090100 Degradation of formaldehyde by photocatalyst I at

34、 different times Degradation efficiency/%t/h510152025305060708090100 Degradation of formaldehyde by photocatalyst I at different times Degradation efficiency/%t/hfigure 4.3催化性能的測(cè)試催化性能的測(cè)試現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十五頁(yè)，共69頁(yè)納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十六頁(yè)，共69頁(yè)納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十七頁(yè)，共69頁(yè)環(huán)保方面的應(yīng)用環(huán)保方面的應(yīng)用A .無(wú)機(jī)污染物的光催化氧化還原無(wú)機(jī)污染物的光催

35、化氧化還原光催化能夠解決光催化能夠解決Cr6+、Hg2+、Pd2+等重金屬離子的污染等重金屬離子的污染光催化還可分解轉(zhuǎn)化其它無(wú)機(jī)污染物，如光催化還可分解轉(zhuǎn)化其它無(wú)機(jī)污染物，如CN-、NO2-、H2S、SO2、NOx等等B.有機(jī)化合物的光催化降解有機(jī)化合物的光催化降解有機(jī)物有機(jī)物催化劑催化劑 光源光源 光解產(chǎn)物光解產(chǎn)物烴烴TiO2紫外紫外CO2，H2O鹵代烴鹵代烴TiO2紫外紫外HCl，CO2，H2O羧酸羧酸TiO2紫外，氙燈紫外，氙燈CO，H2，烷烴，醇，酮酸，烷烴，醇，酮酸表面活性劑表面活性劑TiO2日光燈日光燈CO2，SO32-染料染料TiO2紫外紫外CO2，H2O，無(wú)機(jī)離子，中間物，無(wú)機(jī)

36、離子，中間物含氮有機(jī)物含氮有機(jī)物TiO2紫外紫外CO32-，NO3-，NH4+，PO43-，F(xiàn)-等等有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑TiO2紫外，太陽(yáng)光紫外，太陽(yáng)光Cr，PO43-，CO2納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十八頁(yè)，共69頁(yè)衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用滅殺細(xì)菌和病毒滅殺細(xì)菌和病毒 可以用于生活用水的殺菌消毒；負(fù)載可以用于生活用水的殺菌消毒；負(fù)載TiO2光催化劑的玻璃，陶光催化劑的玻璃，陶瓷等是醫(yī)院、賓館、家庭等各種衛(wèi)生設(shè)施抗菌除臭的理想材料。瓷等是醫(yī)院、賓館、家庭等各種衛(wèi)生設(shè)施抗菌除臭的理想材料。 TiO2光催化劑殺菌的特點(diǎn)光催化劑殺菌的特點(diǎn)納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用

37、現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十九頁(yè)，共69頁(yè)使某些癌細(xì)胞失活使某些癌細(xì)胞失活 TiO2表面修飾血卟啉（表面修飾血卟啉（Hp，hematioporphyrin），通過(guò)有選擇地局部），通過(guò)有選擇地局部或局域注射微粒到瘤內(nèi)，隨后用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)紫外光集中照射瘤組織體，或局域注射微粒到瘤內(nèi)，隨后用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)紫外光集中照射瘤組織體，光激發(fā)光激發(fā)TiO2顆粒表面生成強(qiáng)活性的反應(yīng)氧類（顆粒表面生成強(qiáng)活性的反應(yīng)氧類（OH和和H2O2）直接滲透進(jìn)入瘤組）直接滲透進(jìn)入瘤組織體，而殺死瘤組織體內(nèi)的惡性細(xì)胞織體，而殺死瘤組織體內(nèi)的惡性細(xì)胞TiO2粉體粉體癌細(xì)胞癌細(xì)胞 光纖光纖人眼人眼紫外光紫外光Fujishaima 等設(shè)計(jì)的癌細(xì)

38、胞光催化殺滅治療裝置等設(shè)計(jì)的癌細(xì)胞光催化殺滅治療裝置納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十頁(yè)，共69頁(yè)光照前光照前 光照后光照后在小鼠的癌變部位注入納米在小鼠的癌變部位注入納米TiO2納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用1.注入部位注入部位 2.未注入未注入現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十一頁(yè)，共69頁(yè)防結(jié)霧和自清潔涂層方面的應(yīng)用防結(jié)霧和自清潔涂層方面的應(yīng)用l 在紫外光照射下，水在氧化在紫外光照射下，水在氧化鈦薄膜上完全浸潤(rùn)。因此，在鈦薄膜上完全浸潤(rùn)。因此，在浴室鏡面、汽車玻璃及后視鏡浴室鏡面、汽車玻璃及后視鏡等表面涂覆一層氧化鈦可以起等表面涂覆一層氧化鈦可以起到防結(jié)霧的作用到防結(jié)霧的作用 防霧作用防霧作用

39、納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十二頁(yè)，共69頁(yè)l在窗玻璃、建筑物的外墻磚、高速公路的護(hù)欄、路燈等表面涂覆一層氧在窗玻璃、建筑物的外墻磚、高速公路的護(hù)欄、路燈等表面涂覆一層氧化鈦薄膜，利用氧化鈦在太陽(yáng)光照射下產(chǎn)生的的強(qiáng)氧化能力和超親水性，化鈦薄膜，利用氧化鈦在太陽(yáng)光照射下產(chǎn)生的的強(qiáng)氧化能力和超親水性，可以實(shí)現(xiàn)表面自清潔?？梢詫?shí)現(xiàn)表面自清潔。TiO2薄膜薄膜有機(jī)污垢有機(jī)污垢無(wú)機(jī)污垢無(wú)機(jī)污垢CO2 H2O納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十三頁(yè)，共69頁(yè)光催化合成反應(yīng)光催化合成反應(yīng)(1)還原氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)還原氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)(2)還原羧酸化反應(yīng)還原羧酸化反應(yīng)(3)氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)(4)復(fù)合氧化還原反應(yīng)復(fù)合氧化還原反應(yīng)RCOOH+ 2AgFRF +