光催化与静电纺丝课件.ppt

1、 讲解内容讲解内容1.光催化2.静电纺丝3.静电纺丝与光催化技术的结合 光催化光催化光催化概述研究方向难题一一.光催化概述光催化概述1.定义：定义：1.11.1光催化剂：光催化剂：是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质。1.21.2光催化光催化：是利用存在的光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不造成资源浪费与附加污染形成。一一.光催化概述光催化概述2.机理机理：一一.光催化概述光催化概述2.2.机理：机理：半导体的能带是不连续的,其充满电子的低能价带和空的高

2、能导带,之间存在着一个禁带,其价带顶和导带底的能量差称为禁带宽度或带隙。当用光子能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时,其价带中的部分电子就会被激发,从价带越过禁带跃迁到导带,从而可以在导带和价带分别形成光生电子和光生空穴。这使得它们可迁移到光催化剂的表面并与吸附在那里的分子、有机物等发生能量和电荷交换,产生具有强氧化能力的物质,这些物质是直接参与化学反应的主要活性物质,也不排除光生电子和空穴直接与反应物作用的可能性。一一.光催化概述光催化概述半导体的导带底代表了电子还原能力的极限,导带底越高,导带电子的还原能力越强,只有还原电势在导带底以下的物质才可能被还原；半导体的价带顶代表空穴氧化能力的

3、极限,价带顶越低,价带空穴的氧化能力越强,只有氧化电势在价带顶以上的物质才能被氧化。一一.光催化概述光催化概述3.光催化的应用光催化的应用1.降解甚至矿化几乎所有的有机污染物如有机磷化物、含卤素化合物、表面活性剂、染料、油类等。2.还原金属离子。3.光催化还常用于杀菌消毒。二二.研究方向研究方向1.1.掺杂、掺杂、2.2.光敏化光敏化3.3.复合半导体复合半导体4.4.改变形貌改变形貌5.5.新型催化剂研究新型催化剂研究3.3.催化剂载体的研究催化剂载体的研究TiO2不仅光照稳定,耐酸碱性好,无毒,而且在紫外辐射下具有较高的光催化活性,是当前最有应用潜力的一种光催化剂.1.1 1.1 金属掺杂

4、金属掺杂金属离子掺杂 将一定量的金属离子引入到半导体晶格中,影响光生载流子的产生、迁移复合及其转化过程,从而影响半导体的光催化活性。由于金属离子的能级位于半导体的禁带中,从而将半导体吸收光波长的范围扩展到可见光区。1.1 1.1 金属掺杂金属掺杂掺杂后比表面积普遍增大，其中Mg-TiO2的比表面积最大，孔隙体积最大，Co-TiO2的比表面积最小，孔隙体积最小。但是其比表面积大于纯的TiO2，原因可能是金属的嵌入抑制了TiO2的聚集。1.1 1.1 金属掺杂金属掺杂掺杂后吸收波长均出现红移，掺杂Mg的移动最不显著1.2 1.2 金属掺杂金属掺杂峰值越高表示电子-空穴复合速率越快，图中显示掺杂镁的

5、峰值最高，掺杂银的峰值最低。1.1 1.1 金属掺杂金属掺杂 除了掺杂Co的，其余的对于苯和甲苯的去除效率都有提高，其中对甲苯去除效率高于苯1.2 1.2 非金属掺杂非金属掺杂掺杂N后出现红移现象，紫外光下处理效率基本不变，在可见光下对污染物处理效率提高。2.2.光敏化光敏化光敏化光敏化指选取特殊的能够吸收可见光的活性化合物,如有机染料、腐殖酸、多不饱和脂肪酸等,以物理或化学方法吸附于半导体光催化剂的表面,与宽禁带半导体形成复合物。只要该活性化合物激发态的电势比半导体导带电势更负,在可见光照射下,就能使该活性化合物激发态上的电子迁移到半导体的导带,从而使半导体的吸收波长扩展至可见光范围。常用的

6、光敏剂：常用的光敏剂：钉毗咙类络合物、钦蔷染料、花菩染料、荧光素衍生物、叶氯酸等3.3.复合半导体复合半导体定义：定义：将两种或两种以上半导体以某种方式复合后,其光化学、光物理方面的性质都会发生很大的改变,其意义首先在于复合不同能带结构的半导体,为利用窄禁带的半导体敏化宽禁带的半导体提供了可能,这对以宽禁带半导体作为主催化剂的光催化反应具有重要的意义。其次,对二元复合半导体,两种半导体之间的能级差产生的内建电场能使光生载流子由一种半导体注入到另一种半导体,使光生电子一空穴彻底分离,从而提高光催化剂的活性。3.3.复合半导体复合半导体 3.3.复合半导体复合半导体（TiO2掺杂掺杂CdS）掺杂后

7、降低了电子空穴复合率增加对可见光的利用率。3.3.复合半导体复合半导体（TiOTiO2 2掺杂掺杂CdSCdS）4.4.改变形貌改变形貌（1）0维纳米颗粒（2）一维纳米管（3）二维纳米片（4）三维花状结构和球形结构减少光生电子和空穴的复合，提高其量子效率。5.5.新型催化剂研究新型催化剂研究新型的光催化材料:例如AgAg3 3POPO4 4，Ag/AgClAg/AgCl等含银类化合物材料，这类光催化剂在光催化降解污染物时具有极好的光催化活性，比我们已经知道较好二氧化钛光催化活性高一到两个数量级，这些新型光催化材料在环境净化方面具有巨大应用潜力。此外，其它一些新型光催化材料，主要包括BiBi2

8、2O O3 3、BiVOBiVO4 4铋系复合物材料铋系复合物材料，钨锰矿型复合氧化物，g-C3N4g-C3N4等无金属半导体材料和钙钛矿型复合氧化物。紫外光365nm(1)NiO作为载体NiO的加入有助于提高催化效率6.6.载体制备载体制备NiO与TiO2易形成P-N结，抑制电子-空穴的复合。TiO2均匀分布在NiO载体表面。TG-0.05TG-0.05的石墨烯光催化降解空气中丙酮时的光催化活性最高的石墨烯光催化降解空气中丙酮时的光催化活性最高（2）.石墨烯作载体石墨烯是一种单层石墨，高导电率，优异的电子迁移率和非常大的比表面积，成本低廉。6.6.载体制备载体制备光催化中存在的难题光催化中存

9、在的难题1.制备高效率的催化剂，进一步完善催化剂的改性技术，提高催化剂的光催化活性。2.制备合适的催化剂载体，便于回收利用。3.研制新型光催化剂。静电纺丝静电纺丝静电纺丝概述研究方向难题 静电纺丝静电纺丝一一.静电纺丝概述：静电纺丝概述：1.1.电纺丝电纺丝：又称为静电纺丝，是一种利用聚合物溶液或者熔体（有机，无机，复合）在强电场作用下形成单根纳米和微米级别超细纤维的工艺。2.2.电纺丝工作原理：电纺丝工作原理：静电纺丝静电纺丝电纺丝技术的基本原理：电纺丝技术的基本原理：带电聚合物溶液或熔融物在高压静电场中受到电场力的作用被拉伸，当电场力大于聚合物液滴的表面张力时，聚合物将形成喷射细流，在喷射

10、过程中溶剂挥发或熔融的聚合物由于温度降低而凝固，在接收网上能得到无纺布状的纤维毡。静电纺丝静电纺丝3.3.静电纺丝特点静电纺丝特点（1）直径范围一般在3nm-5m，比常规方法制得的纤维直径小几个数量级（2）孔隙率高、比表面积大、纤维精细程度与均一性高、长径比大二二.目前纤维的研究方向：目前纤维的研究方向：1.单根纤维形貌的研究 单根电纺丝纤维的尺寸和立体形貌受到很多因素的 影响，主要包括:(a)电纺丝溶液的内在因素：粘度、弹性、电导率、表面张力。(b)电纺丝技术的操作参数：静电电压、针头孔径大小及其与收集器之间的距离。(c)实验环境：湿度、温度等。2.纤维组装微观形貌的研究 3.纤维聚集体宏观

11、形貌的研究静电纺纤维的结构模式静电纺纤维的结构模式 目前，大部分静电纺丝研究采目前，大部分静电纺丝研究采用平板收集器可以收集到无规排用平板收集器可以收集到无规排列纤维膜。列纤维膜。近年来，通过对电纺丝实验装置的改进近年来，通过对电纺丝实验装置的改进，可以制备出大面积、高厚度、杂乱、定，可以制备出大面积、高厚度、杂乱、定向、中空、芯壳、大孔、图案化和三维结向、中空、芯壳、大孔、图案化和三维结构等纤维支架。构等纤维支架。1.定向排列电纺纤维定向排列电纺纤维 在常规收集器上凿开一在常规收集器上凿开一个槽，通过一个附加电场个槽，通过一个附加电场作用，纤维平行取向地横作用，纤维平行取向地横跨槽两边，这种

12、做法还可跨槽两边，这种做法还可以很方便地将制得的纳米以很方便地将制得的纳米纤维转移到其他基底上纤维转移到其他基底上提高纤维膜提高纤维膜力学力学性能性能2.芯壳结构电纺纤维芯壳结构电纺纤维 用用同轴毛细管同轴毛细管替代普通的喷替代普通的喷嘴可以生产芯壳结构的纳米嘴可以生产芯壳结构的纳米纤维。纤维。1.外层溶液与内层溶液外层溶液与内层溶液不能互溶不能互溶2.对两种溶液的对两种溶液的粘度粘度也有也有一定的要求一定的要求3.中空结构电纺纤维中空结构电纺纤维用用同轴毛细管同轴毛细管可以直接制备空心纳可以直接制备空心纳米纤维，也可通过除去芯壳纤维的米纤维，也可通过除去芯壳纤维的芯层得到中空纤维芯层得到中空

13、纤维4.高孔隙率电纺纤维膜高孔隙率电纺纤维膜原理：电纺纤维有优先沉积在导电模板上原理：电纺纤维有优先沉积在导电模板上孔隙率可孔隙率可以通过滚以通过滚筒的转速筒的转速调节调节高孔隙率纤维膜表面积显著增大高孔隙率纤维膜表面积显著增大5.图案化结构电纺纤维膜图案化结构电纺纤维膜原理：电纺纤维原理：电纺纤维优先沉积在导电优先沉积在导电模板上。模板上。纤维可以在纤维可以在网格线上网格线上以及以及网格的对角网格的对角线之间定向排列线之间定向排列。在沉积位置的选择。在沉积位置的选择上，纤维更加倾向于沉积到网格模板上，纤维更加倾向于沉积到网格模板中的中的凸起凸起位置。位置。方法简单方法简单成本较低成本较低应用

14、前景大应用前景大静电纺丝与光催化技术的结合静电纺丝与光催化技术的结合 减小颗粒尺寸以达到更大比表面积，提供更多的活性点从而提高催化活性。1.TiO2与Cu添加Cu后纤维直径变粗，纤维表面变粗糙。TiO2CuAC和TiO2CuNPS和TiO21.TiO2与Cu光致发光谱:掺杂氧化铜的电子空穴复合率低1.TiO2与Cu可见光下掺杂铜的物质对RB，RO染料有较高处理效率。说明掺杂铜可使TiO2吸收光范围红移。2.Cu/CeCeCu0.15/pvpCu0.3/pvpCu0.5/pvpCu0.7/pvpCu0.85/pvpCu摩尔比小于0.5时，掺杂Cu有助于纤维直径的减小；超过0.5纤维破坏静电纺丝与光催化技术的结合的难题静电纺丝与光催化技术的结合的难题1.由于利用的静电纺丝得到的产物最后需要煅烧，煅烧后往往导致纤维结构破坏。2.催化剂有时会被包裹在纤维中，从而催化活性大大降低。