光催化材料简介课件.ppt
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1、光催化光催化材料材料Photocatalytic MaterialsPhotocatalytic Materials赵赵 吴吴 方方 田田 孟孟 NPU2014.10.15目录目录为什么是光催化材料为什么是光催化材料光催化的机理光催化的机理光催化材料光催化材料TiOTiO2 2制备方法制备方法光催化材料的改性光催化材料的改性其他光催化材料其他光催化材料光催化材料的应用光催化材料的应用Company Logo2为什么是光催化为什么是光催化材料材料Company Logo3能源问题能源问题6%2%17%75%10%24%40%26%CxHy+O2 H2O+CO2+SO2+NOx 煤煤石油石油天然气
2、天然气其他其他中国中国石石油油天然气天然气世界世界煤煤其他其他当前的能源结构BP世界能源统计2007的数据表明,全球石油储量可供生产40年,天然气和煤炭则分别可以供应65年和162年。Company Logo4环境环境问题问题大气污染全球每年排放全球每年排放SO2 2.9亿吨,亿吨,NOx约为约为5千万吨,可千万吨,可吸入粉尘吸入粉尘酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病洛杉矶洛杉矶Photochemical smog Acid rain effectssand stormCompany Logo5环境环境问题问题雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。高密度人口的经济及
3、社会活动必然会排放大量细颗粒物(PM 2.5),一旦排放超过大气循环能力和承载度,细颗粒物浓度将持续积聚,此时如果受静稳天气等影响,极易出现大范围的雾霾。2014年10月11日北京雾霾引起社会关注。Company Logo6环境环境问题问题全球pm2.5实时情况:http:/aqicn.org/map/world/cn/Company Logo7可编辑可编辑氢能源氢能源 1870年的科幻小说中第一次提及,当时提及的月球旅行、海底旅行、机器人等现在已经实现,水产生氢能源在20世纪成为现实;特征:取之不尽;绿色清洁;便于储存;使用方便,即可作为汽车燃料,也可通过燃料电池直接转化为电能。,半导体半导
4、体光催化光催化是有希望的技术,可以大量的应用于环境保护,例如,空气净化,有毒废水处理,水的净化等。解决方案解决方案8可编辑可编辑 光催化剂(一般为半导体材料)在光(可见光或者紫外光)的照射下,通过把,使化合物(有机物、无机物)被降解的过程称为光催化。什么是光催化什么是光催化从光合作用这种最简单的光催化反应,总结下一个光催化反应发生的三个从光合作用这种最简单的光催化反应,总结下一个光催化反应发生的三个基本条件:基本条件:v 叶绿素叶绿素-光催化剂光催化剂v 光光-特定波长范围特定波长范围(400-600nm(400-600nm之间最佳之间最佳),非所有光都可以,非所有光都可以v 反应物反应物-二
5、氧化碳和水二氧化碳和水光催化剂-一般为半导体材料光-特定波长范围,非所有光都可以反应物-空气中的有机物或溶液中的有机污染物或水光催化反应的三个基本条件:光催化反应的三个基本条件:什么是光催化什么是光催化Company Logo10 1972年,Fujishima(藤岛)在N-型半导体TiO2电极上发现了水的光催化分解作用,从而开辟了半导体光催化这一新的领域。1977年,Yokota(横田)T等发现了光照条件下,TiO2对环丙烯环氧化具有光催化活性,从而拓宽了光催化反应的应用范围,为有机物的氧化反应提供了一条新思路。近年来,光催化技术在环保、卫生保健、自洁净等方面的应用研究发展迅速,半导体光催化
6、成为国际上最活跃的研究领域之一。光催化技术的发展历史 Company Logo11当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时,电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光致电子-空穴。价带空穴是强氧化剂,而导带电子是强还原剂。空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的羟基自由基(HO.)电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的超氧离子自由基等(.O2-,HO.等)空穴,自由基都有很强的氧化性,能将有机物直接氧化为CO2,H2OA:半导体吸收光,产生电子和空穴的过程半导体吸收光,产生电子和空穴的过程B:电子和空穴表面复合过程电子和空穴表面复合过程C:电子和空穴体内复合过程电子和空穴体内复合过程D:
7、还原过程还原过程E:氧化过程氧化过程光催化的机理光催化的机理Company Logo12v 可以想象一下,在分子的周围,形成了大量的光致电子和光致空穴,在光的照射下,他们不断产生,又不断复合,但是从宏观的角度看,在某一时刻,总是有大量的来不及复合的电子和空穴的存在,他们不断的寻找自己的猎物。v 作为光致电子来说,他们的猎物是电子受体,这样光致电子就可以还原这个电子受体;v 而光致空穴迁移到表面后的猎物时哪些能够提供电子的物质,从而将这些物质氧化。v 在过程中生成的羟基自由基和超氧离子自由基等,这些自由基的氧化能力特别强,强化对污染物的氧化还原反应。v 光照时光子被半导体吸收,这是一个贮能过程。
8、半导体多相光催化研究的主要内容是利用半导体材料的光敏性将太阳能或其他形式的光能,通过光催化反应转换为化学能(如光解水制氢、光催化合成等分子储能过程)或加速某种化学反应(如污染物的光催化降解)的定向进行。光催化的机理光催化的机理Company Logo13-1.00.01.02.03.0SrTiO3TiO2SnO23.2eV3.23.8WO32.8Ta2O5ZrO2Nb2O5H+/H2(E=0 eV)4.65.03.43.23.6ZnOZnSSiC3.0Evs.SHE(pH=0)/eVCdSO2/H2O(E=1.23eV)2.4稳定、廉稳定、廉价、无毒价、无毒14L绝大部分只能吸绝大部分只能吸收
9、收不到不到5的太的太阳光阳光(紫外部分紫外部分)!常见半导体材料的能带结构常见半导体材料的能带结构Company Logo常见的光催化材料 photocatalyst Ebg(eV)photocatalyst Ebg(eV)Si 1.1ZnO 3.2TiO2(Rutile)3.0TiO2(Anatase)3.2WO3 2.7CdS 2.4ZnS 3.7SnO2 3.8SiC 3.0CdSe 1.7Fe2O3 2.2-Fe2O3 3.1ZnO在水中不稳定,会在粒子表面生成Zn(OH)2铁的氧化物会发生阴极光腐蚀金属硫化物在水溶液中不稳定,会发生阳极光腐蚀,且有毒!Company Logo15+3
10、.0+2.0+1.00.0-1.0Band gapH+H2H2OO2H+/H2O2/H2Oh+h+h+h+h+e-e-e-e-e-V/NHEWater reductionWater oxidationhvValence bandConduction band H2O H2+1/2O2 G0=238 kJ/mol(E=-Go/nF=-1.23 eV)Charge separation/recombination Separation of reduction and oxidation Control of reverse reaction半导体光催化制氢原理半导体光催化制氢原理Company
11、Logo16 高稳定性、价廉;半导体的禁带宽度Eg要大于水的分解电压;能带位置要与氢和氧的反应电势相匹配:导带位置要负于氢电极的反应电势(EH+/H2c),使光电子的能量满足析氢反应要求。价带位置应正于氧电极的反应电势(Vb+a),使光生空穴能够有效地氧化水。高效吸收太阳光谱中大多数的光子。光子的能量还必须大于半导体禁带宽度Eg:若Eg3V,则入射光波长应小于400 nm,只占太阳光谱很小一部分。为实现太阳光直接驱动水的劈裂,要求光催化材料具有:为实现太阳光直接驱动水的劈裂,要求光催化材料具有:半导体光催化制氢条件半导体光催化制氢条件Company Logo17v 常用的光催化半导体纳米粒子有
12、常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处:将这等。主要用处:将这类材料做成空心小球,浮在含有有机物的废水表面上,类材料做成空心小球,浮在含有有机物的废水表面上,利太阳光可进行有机物的降解。利太阳光可进行有机物的降解。v 应用领域:废水处理、汽车尾气处理、应用领域:废水处理、汽车尾气处理、降解空气中的有降解空气中的有害有机物、有机磷农药等害有机物、有机磷农药等Company Logo18TiO2TiO2光催化剂的优点光催化剂的优点1.水中所含多种有机污染物可被完全降解成CO2,H2O等,无机污染物被氧化或还
13、原为无害物 2.不需要另外的电子受体3.具有廉价无毒,稳定及可重复利用等优点4.可以利用太阳能作为光源激活光催化剂5.结构简单,操作容易控制,氧化能力强,无二次污染纳米纳米TiO2TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂是当前最有应用潜力的光催化剂Company Logo19v固相法固相法v 氧化还原法v 热分解方法v 高能球磨法:v 工艺简单,但制得的粉体形状不规则,颗粒尺寸分布宽,均匀性差。可可编辑编辑光催化材料光催化材料TiO2TiO2制备方法制备方法20v液相法液相法光催化材料光催化材料TiO2TiO2制备方法制备方法Company Logo21v气相法气相法v 物理气相沉积法物理气相沉积
14、法v 物理气相沉积法(PVD)是利用电弧、高频或等离子体等高稳热源将原料加热,使之气化或形成等离子体,然后骤冷使之凝聚成纳米粒子。v 其中以真空蒸发法最为常用。粒子的粒径大小及分布可以通过改变气体压力和加热温度进行控制。,该法制备的薄膜质量高、密度大、结合性能好、强度大,而且生产重复性好,适于大面积沉积成膜,便于连续和半连续生产,缺点是薄膜活性较低。v 化学气相沉积法化学气相沉积法v 化学气相沉积法(CVD)利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生成所需化合物,该法制备的纳米TiO2粒度细,化学活性高,粒子呈球形,单分散性好,可见光透过性好,吸收屏蔽紫外线能力强。v 该过程易于放大,实现连续化
15、生产,但一次性投资大,同时需要解决粉体的收集和存放问题.光催化材料光催化材料TiO2TiO2制备方法制备方法Company Logo22v纳米纳米TiO2光催化剂的负载光催化剂的负载v 由于粉体的纳米由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使过程中存在着使用和回收不便的问题,在实际的应用中用和回收不便的问题,在实际的应用中很难利用,因此需要对很难利用,因此需要对TiO2进行负载,进行负载,以便在实际中得到很好的应用。以便在实际中得到很好的应用。研究研究人员采用浸渍法、层层组装的方法对纳人员采用浸渍法、层层组装的方法对纳米米TiO2进行了负载,分别在石棉绳、进行了负载,分别在石棉绳、玻璃纤维、沸石、分
16、子筛上进行了负载,玻璃纤维、沸石、分子筛上进行了负载,得到了较好的结果。得到了较好的结果。光催化材料光催化材料TiOTiO2 2制备方法制备方法Company Logo23石棉绳 沸石分子筛100 干燥纳米TiO2溶胶浸泡2h,除乙醇灼烧,600 8h负载型纳 米TiO2催化性能 测定24h浸渍法(载体为石棉绳、沸石、分子筛)浸渍法(载体为石棉绳、沸石、分子筛)Company Logo242023-5-1825可编辑可编辑 目前的目前的TiO2光催化剂存在两个问题:光催化剂存在两个问题:量子效率低量子效率低 只能吸收紫外光,太阳能利用率低太阳能利用率低解决方法:解决方法:贵金属沉积贵金属沉积复
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