半导体催化-简综述课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《半导体催化-简综述课件.ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 催化 综述 课件
- 资源描述:
-
1、半导体催化剂半导体催化剂 属于半导体催化剂类型属于半导体催化剂类型:n过渡金属氧化物:过渡金属氧化物:ZnO,NiO,WO3,Cr2O3,MnO2,MoO3V2O5,Fe3O4,CuO等等;n过渡金属复合氧化物:过渡金属复合氧化物:V2O5-MoO3,MoO3-Bi2O3等等;n某些硫化物某些硫化物 如如MoS2,CoS2等等半导体催化剂半导体催化剂特点特点n半导体催化剂半导体催化剂特点特点:能加速以电子转移为特征能加速以电子转移为特征的氧化、加氢和脱氢等反应。的氧化、加氢和脱氢等反应。与金属催化剂一与金属催化剂一样亦是氧化还原型催化剂,其催化性能与电子样亦是氧化还原型催化剂,其催化性能与电子
2、因素和晶格结构有关。因素和晶格结构有关。n具有以下优点:具有以下优点:(1)在光、热、杂质的作用下,在光、热、杂质的作用下,性能会发生明显的变化,这有利于性能会发生明显的变化,这有利于催化剂性能催化剂性能的调变的调变;(2)半导体催化剂的熔点高半导体催化剂的熔点高,故故热稳定热稳定性好性好;(3)较金属催化剂的较金属催化剂的抗毒能力强抗毒能力强。本章主要内容本章主要内容n定性介绍半导体催化剂的能带结构;定性介绍半导体催化剂的能带结构;n并从能带结构出发,讨论催化剂的电导并从能带结构出发,讨论催化剂的电导率、逸出功与催化活性的关联率、逸出功与催化活性的关联反应物与催化剂间的反应物与催化剂间的化学
3、吸附键类型化学吸附键类型 反应物与催化剂间的化学吸附可以看作为反应物与催化剂间的化学吸附可以看作为在共同组成的新势场下双方电子云的重在共同组成的新势场下双方电子云的重新分配,分配的结果有下列几种情况新分配,分配的结果有下列几种情况 :n双方共享电子,组成共价键;双方共享电子,组成共价键;n双方电负性相差甚远,组成离子型吸附;双方电负性相差甚远,组成离子型吸附;n双方电负性略有差别,形成极性键吸附双方电负性略有差别,形成极性键吸附。催化电子理论催化电子理论n过渡金属氧化物多属半导体类型,而半导过渡金属氧化物多属半导体类型,而半导体能带理论对能带结构的描述已属比较成体能带理论对能带结构的描述已属比
4、较成熟,因此借用来说明这类催化剂的催化特熟,因此借用来说明这类催化剂的催化特性是很自然的。性是很自然的。n50年代前苏联学者伏肯斯坦应用年代前苏联学者伏肯斯坦应用半导体能半导体能带理论带理论为解释这类催化剂的催化作用引进为解释这类催化剂的催化作用引进了催化电子理论,把半导体的导电率、电了催化电子理论,把半导体的导电率、电子逸出功与催化活性相关联,并解释了一子逸出功与催化活性相关联,并解释了一部分催化现象。部分催化现象。半导体的能带结构半导体的能带结构 n一个原于核周围的电子是按能级排列的。一个原于核周围的电子是按能级排列的。例如例如1S,2S,2P,3S,3P内层电子处于内层电子处于较低能级,
5、外层电子处于较高能级。较低能级,外层电子处于较高能级。n固体中许许多多原子的电子轨道发生重叠,其固体中许许多多原子的电子轨道发生重叠,其中外层电子轨道重叠最多。由于这种重叠作用,中外层电子轨道重叠最多。由于这种重叠作用,电子不再局限于在一个原子内运动,而是在整电子不再局限于在一个原子内运动,而是在整个固体中运动,这种特性称为电子的共有化。个固体中运动,这种特性称为电子的共有化。n重叠的外层电子也只能在相应的轨道间转重叠的外层电子也只能在相应的轨道间转移运动。例如移运动。例如3 3S S引起引起3 3S S共有化,共有化,2 2P P轨道引起轨道引起2 2P P共有化共有化 能级示意图能级示意图
6、 禁带、满带或价带禁带、满带或价带、空带或导带、空带或导带 n3 3S S能带与能带与2 2P P能带之间有一个间隙,其中没有任能带之间有一个间隙,其中没有任何能级,故电子也不能进入此区,称之为何能级,故电子也不能进入此区,称之为禁带禁带 n下面一部分密集的能级组成一个带,一般充满下面一部分密集的能级组成一个带,一般充满或部分充满价电子,称为或部分充满价电子,称为满带或价带满带或价带。n上面一部分密集的能带也组成一个带,在基态上面一部分密集的能带也组成一个带,在基态时往往不存在电子,只有处于激发态时才有电时往往不存在电子,只有处于激发态时才有电子进入此带,所以称为子进入此带,所以称为空带空带,
7、又叫,又叫导带导带 n激发到空带中去的自由电子提供了半导体的导激发到空带中去的自由电子提供了半导体的导电能力电能力 金属能带的结构示意图金属能带的结构示意图 n导体都具有导带(或导体都具有导带(或者能带结构是迭加者能带结构是迭加的的),此能带没有被,此能带没有被电子完全充满,在外电子完全充满,在外电场的作用下,电子电场的作用下,电子可从一个能级跃迁到可从一个能级跃迁到另一个能级,因此能另一个能级,因此能够导电。够导电。绝缘体的能带的结构示意图绝缘体的能带的结构示意图 n绝缘体的满带己被绝缘体的满带己被电子完全填满,而电子完全填满,而禁带很宽禁带很宽(5eV),满带中的电子不能满带中的电子不能跃
8、迁到空带上去,跃迁到空带上去,所以不能导电。所以不能导电。E5eV-10eV半导体半导体n半导体的禁带很窄,在绝半导体的禁带很窄,在绝对零度时,电子不发生跃对零度时,电子不发生跃迁,与绝缘体相似;迁,与绝缘体相似;n但当温度升高时,部分电但当温度升高时,部分电子从满带激发到空带上去,子从满带激发到空带上去,空带变成导带,而满带则空带变成导带,而满带则因电子移去而留下空穴,因电子移去而留下空穴,在外加电场作用下能够导在外加电场作用下能够导电,故称半导体。电,故称半导体。半导体的类型半导体的类型n本征半导体本征半导体:不含杂质,具有理想的完整的晶:不含杂质,具有理想的完整的晶体结构具有电子和空穴两
9、种载流体,例如体结构具有电子和空穴两种载流体,例如Si、Ge、PbS、Fe3O4等。等。n N 型半导体型半导体:含有能供给电子的杂质,此电子:含有能供给电子的杂质,此电子输入空带成为自由电子,空带变成导带。此杂输入空带成为自由电子,空带变成导带。此杂质叫施主杂质。质叫施主杂质。n P型半导体型半导体:含有易于接受电子的杂质,半导:含有易于接受电子的杂质,半导体满带中的电子输入杂质中而产生空穴,此杂体满带中的电子输入杂质中而产生空穴,此杂质叫受主杂质。质叫受主杂质。本征半导体能带的结构示意图本征半导体能带的结构示意图费米能级费米能级EF nEF是半导体中价电子的平均位能。n本征半导体,EF在满
10、带和导带之间;nN型半导体,EF在施主能级和导带之间;nP型半导体,EF在受主能级和满带之间。电子逸出功 n电子逸出功电子逸出功:将一个具有平均位能的电子从固:将一个具有平均位能的电子从固体内部拉到固体外部所需的最低能量。体内部拉到固体外部所需的最低能量。n掺入施主杂质使费米能级提高,从而导带电子掺入施主杂质使费米能级提高,从而导带电子增多并减少满带的空穴,增多并减少满带的空穴,逸出功都降低了逸出功都降低了。n对于对于N型半导体来说,电导率就增加了;型半导体来说,电导率就增加了;n掺入受主杂质其作用正好相反。掺入受主杂质其作用正好相反。n对对P型半导体而言,电导率降低;型半导体而言,电导率降低
11、;费米能级费米能级EF和电子逸出功由和电子逸出功由 n 如果在导带和满带之间另有一个如果在导带和满带之间另有一个能级并有一些电子填充其中,它能级并有一些电子填充其中,它们很容易激发到导带而引起导电,们很容易激发到导带而引起导电,那么这种半导体就称为那么这种半导体就称为N型半导型半导体。中间的这个能级称为施主能体。中间的这个能级称为施主能级。级。满带由于没有变化在导电中满带由于没有变化在导电中不起作用不起作用。实际情况中实际情况中N型半导型半导体都是一些非计量的氧化物,在体都是一些非计量的氧化物,在正常的能带结构中形成了施主能正常的能带结构中形成了施主能级。级。N型半导体(电子型半导体)能带结构
12、示意图型半导体(电子型半导体)能带结构示意图 E施主能级施主能级(1)正离子过量:正离子过量:ZnO中含有过量的中含有过量的Zn2+间隙原子eZn+可提供准自由电子,成为施主-n-型半导体当当 V2O5中中O2-缺位出现缺位出现 时,由于晶体中要保持时,由于晶体中要保持中性,中性,O2-缺位束缚电子形成缺位束缚电子形成 ,同时附近的,同时附近的V5+变成变成V4+。通常称为。通常称为F中心。中心。F中心的束缚电子随温中心的束缚电子随温度升高可以更多的变成准自由电子,这样它也成度升高可以更多的变成准自由电子,这样它也成为一个施主来源。为一个施主来源。(2)负离子缺位负离子缺位(3)高价离子同晶取
13、代高价离子同晶取代(4)掺杂掺杂P型半导体能带结构示意图型半导体能带结构示意图 容易接受电子的物质容易接受电子的物质,禁带中产生受主能级禁带中产生受主能级(Electron acceptor level);受主能级能从价带接受电子,受主能级能从价带接受电子,使价带中产生正空穴;使价带中产生正空穴;导电性靠受主能级接受电子导电性靠受主能级接受电子产生的正空穴。产生的正空穴。(1)正离子缺位正离子缺位 n在在NiO中中Ni2+缺位,相当于减少了两个正电缺位,相当于减少了两个正电荷。为保持电中性,在缺位附近,必定有荷。为保持电中性,在缺位附近,必定有2-Ni2+个变成个变成Ni3+,这种离子可看作为
14、这种离子可看作为Ni2+束缚住一个空穴,即束缚住一个空穴,即Ni3+Ni2+,这空这空穴具有接受满带跃迁电子的能力,当温度穴具有接受满带跃迁电子的能力,当温度升高,满带有电子跃迁时,就使满带造成升高,满带有电子跃迁时,就使满带造成空穴。从而进行空穴导电。空穴。从而进行空穴导电。(2)低价正离子同晶取代低价正离子同晶取代 若以若以Li取代取代NiO中的中的Ni2+,相当于少了一相当于少了一个正电荷,为保持电荷平衡,个正电荷,为保持电荷平衡,Li+附近相附近相应要有一个应要有一个Ni2+成为成为Ni3+。同样可以造成同样可以造成受主能级而引起受主能级而引起P型导电。型导电。(3)掺杂掺杂 n在在N
15、iO晶格中掺人电负性较大的原子时,例如晶格中掺人电负性较大的原子时,例如F,它可以从它可以从Ni2+夺走一个电子成为夺走一个电子成为F-,同时产同时产生一个生一个Ni3+,也造成了受主能级。也造成了受主能级。n 总之,能在禁带中靠近满带处形成一个受主能总之,能在禁带中靠近满带处形成一个受主能级的固体就是级的固体就是P型半导体,它的导电机理是空型半导体,它的导电机理是空穴导电。穴导电。半导体催化剂的化学吸附本质 n 伏肯斯坦的催化作用电子理论把表面吸附的伏肯斯坦的催化作用电子理论把表面吸附的反应物分子看成是半导体的施主或受主。反应物分子看成是半导体的施主或受主。n半导体催化剂的化学吸附:半导体催
16、化剂的化学吸附:n对对催化剂催化剂来说,决定于逸出功来说,决定于逸出功 的大小;的大小;n对对反应物分子反应物分子来说决定于电离势来说决定于电离势I的大小。的大小。n由由 和和I的相对大小决定了电子转移的方向和限的相对大小决定了电子转移的方向和限度度。(1)当 I 时 n电子从吸附物转移到半导体催化剂,吸附物呈电子从吸附物转移到半导体催化剂,吸附物呈正电荷,粒子吸附在催化剂表面上。正电荷,粒子吸附在催化剂表面上。n如果催化剂是如果催化剂是N型半导体其电导增加,而型半导体其电导增加,而P型型半导体则电导减小。半导体则电导减小。n这样情况下的吸附相当于增加了施主杂质,所这样情况下的吸附相当于增加了
展开阅读全文