非金属光催化剂
非金属光催化剂
1 什么是非金属光催化剂
非金属光催化剂是指不含任何金属元素，其主要成分为非金属氧
化物材料的光催化剂，其具有高效、环保、低成本等优点，成为了一
个光催化研究的热点。
2 非金属光催化剂的种类
目前，非金属光催化剂主要包括氧化钛、氧化铟、氧化锌、氧化
铟锌、氮化物等。
3 氧化钛光催化剂
氧化钛是最常用的非金属光催化剂之一。它具有优异的光电化学
性质和可控制的晶体结构，适合用于水和空气的净化等领域。与传统
的金属光催化剂相比，氧化钛具有成本低廉、生产简便、光上效率高
等优点。近年来，氧化钛光催化材料的合成方法和性能研究取得了很
大进展。离子掺杂法、溶胶凝胶法、静电纺丝法等新工艺的诞生，大
大提高了氧化钛的表面积、特性、稳定性以及吸附活性等性能。
4 氮化物光催化剂
氮化物光催化剂是近年来新兴的研究领域之一。根据前期的研究，氮化物光催化剂材料具有很好的光电化学性质，比如高光催化能力、
高生物相容性、可见光响应性等。相关研究结果表明，氮化物光催化
剂材料可用于水净化、空气净化、光反应催化等领域，并且应用前景广阔。
5 光催化技术的优势与应用
非金属光催化剂作为一种新型的环境保护技术，具有能源利用率高、可重复性、经济性等明显的优势，在环境预防和生物医学等领域被广泛应用。例如，通过催化剂对水和空气进行净化处理，能够有效去除有害物质，达到减少污染、提高环保水平的目的。同时，在电动汽车、太阳能和光伏技术等领域也有广泛应用前景。
6 总结
非金属光催化剂是现代光催化研究的重要方向之一，同时也是环保、节能、高效的新型材料。氧化钛和氮化物等光催化剂具有较为显著的性能优势和应用前景，在环境治理、新材料制备和能源利用等领域有广泛应用前景。未来，非金属光催化剂的发展将迎来新的机遇和挑战，需要不断开展研究以探索其更多的应用场景。
光催化剂综述
光催化剂综述 一、光催化剂的种类和性质 光催化剂是一种能够利用光能驱动化学反应的物质，其种类繁多，性质各异。根据不同的分类方法，光催化剂可以分为无机光催化剂和有机光催化剂；单相光催化剂和多相光催化剂等。其中，无机光催化剂如TiO2、ZnO、CdS等具有较高的光催化活性，且耐热、稳定，被广泛应用于光催化降解有机物、光催化产氢等领域。 二、光催化剂的制备方法 制备光催化剂的方法多种多样，包括溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、水热法、微波法等。其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备光催化剂的方法，其优点在于制备过程简单、成本低、易于控制颗粒大小和形状。化学气相沉积法和水热法则能够在相对较高的温度和压力下合成高质量的光催化剂。微波法则是近年来发展起来的一种制备光催化剂的新方法，具有快速、高效、环保等优点。 三、光催化剂的应用领域 光催化剂在许多领域都有广泛的应用，主要包括： 1.光催化降解有机物：光催化剂能够利用光能将有机物分解为无害的小分子， 适用于废水处理、空气净化等领域。 2.光催化产氢：光催化剂能够将光能转化为化学能，生成氢气，适用于清洁 能源生产、有机物氢化等领域。 3.光催化合成有机物：光催化剂能够利用光能将二氧化碳等无机物转化为有 机物，适用于绿色合成、二氧化碳减排等领域。 四、光催化剂的性能改进与优化 为了提高光催化剂的性能，需要进行改性和优化，主要包括： 1.金属离子掺杂：通过掺杂金属离子，可以改变光催化剂的能带结构，提高 其光催化活性。 2.非金属元素掺杂：通过掺杂非金属元素，可以增加光催化剂的电子密度， 提高其光催化活性。
3.复合光催化剂：将不同种类的光催化剂进行复合，可以产生协同效应，提 高其光催化活性。 4.形貌控制：通过控制光催化剂的形貌，可以增加其比表面积，提高其光催 化活性。 五、光催化剂的发展趋势与挑战 随着人们对环境问题和可再生能源需求的不断增长，光催化剂的发展前景广阔。未来，光催化剂的研究将朝着以下几个方向发展： 1.新型光催化剂的开发：开发新型的光催化剂，以提高其光催化活性和稳定 性。 2.光催化剂的纳米化：通过控制光催化剂的纳米结构，以提高其光催化活性 和稳定性。 3.光催化剂的应用拓展：将光催化剂应用于更多的领域，如环境修复、医疗 保健等。 然而，目前光催化剂仍面临着一些挑战，如光吸收能力不足、光催化活性不高、稳定性较差等问题。因此，需要进一步深入研究光催化剂的制备方法和改性技术，以提高其性能和实用性。
二氧化钛光催化原理
TiO2光催化氧化机理 TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-）;而价带中则相应地形成光生空穴(h+)，如图1-1所示。 如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染 物，将其矿化为无机小分子、CO 2和H 2 O等无害物质。 反应过程如下： 反应过程如下： TiO2+ hv → h+ +e- (3) h+ +e-→热能（4） h+ + OH- →·OH (5) h+ + H2O →·OH + H+(6) e- +O2→ O2- （7）O2 + H+ → HO2·(8) 2 H2O·→ O2 + H2O2(9) H2O2+ O2 →·OH + H+ + O2(10) ·OH + dye →···→ CO2 + H2O (11) H+ + dye→···→ CO2 + H2O (12) 由机理反应可知,TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。 Ti02光催化氧化的影响因素 1、试剂的制备方法 常用Ti02光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。不同方法制得的Ti02粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。同时在制备过程中有无复合，有无掺杂等对光降解也有影响。Ti02的制备方法在许多文献上都有详细的报道，这里就不再赘述。
非金属光催化剂
非金属光催化剂 1 什么是非金属光催化剂 非金属光催化剂是指不含任何金属元素，其主要成分为非金属氧 化物材料的光催化剂，其具有高效、环保、低成本等优点，成为了一 个光催化研究的热点。 2 非金属光催化剂的种类 目前，非金属光催化剂主要包括氧化钛、氧化铟、氧化锌、氧化 铟锌、氮化物等。 3 氧化钛光催化剂 氧化钛是最常用的非金属光催化剂之一。它具有优异的光电化学 性质和可控制的晶体结构，适合用于水和空气的净化等领域。与传统 的金属光催化剂相比，氧化钛具有成本低廉、生产简便、光上效率高 等优点。近年来，氧化钛光催化材料的合成方法和性能研究取得了很 大进展。离子掺杂法、溶胶凝胶法、静电纺丝法等新工艺的诞生，大 大提高了氧化钛的表面积、特性、稳定性以及吸附活性等性能。 4 氮化物光催化剂 氮化物光催化剂是近年来新兴的研究领域之一。根据前期的研究，氮化物光催化剂材料具有很好的光电化学性质，比如高光催化能力、 高生物相容性、可见光响应性等。相关研究结果表明，氮化物光催化
剂材料可用于水净化、空气净化、光反应催化等领域，并且应用前景广阔。 5 光催化技术的优势与应用 非金属光催化剂作为一种新型的环境保护技术，具有能源利用率高、可重复性、经济性等明显的优势，在环境预防和生物医学等领域被广泛应用。例如，通过催化剂对水和空气进行净化处理，能够有效去除有害物质，达到减少污染、提高环保水平的目的。同时，在电动汽车、太阳能和光伏技术等领域也有广泛应用前景。 6 总结 非金属光催化剂是现代光催化研究的重要方向之一，同时也是环保、节能、高效的新型材料。氧化钛和氮化物等光催化剂具有较为显著的性能优势和应用前景，在环境治理、新材料制备和能源利用等领域有广泛应用前景。未来，非金属光催化剂的发展将迎来新的机遇和挑战，需要不断开展研究以探索其更多的应用场景。
二氧化钛作为光催化剂的研究
二氧化钛光催化剂的研究进展1972 年，A.Fujishima 等首次发现在光电池中受辐射的TiO2，表面能持续发生水的氧化还原反应，这一发现揭开了光催化材料研究和应用的序幕。1976 年J.H.Carey 等报道了TiO2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯。S.N.Frank 等也于1977 年用TiO2粉末光催化降解了含CN-的溶液。由此，开始了TiO2光催化技术在环保领域的应用研究，继而引起了污水治理方面的技术革命。近十几年来，随着社会的发展和人们对环境保护的觉醒，纳米级半导体光催化材料的研究引起了国内外物理、化学、材料和环境等领域科学家的广泛关注，成为最活跃的研究领域之一。 TiO2 是一种重要的无机材料，其具有较高的折光系数和稳定的物理化学性能。以TiO2 做光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术越来越受到人们的关注，被广泛地用来光解水、杀菌和制备太阳能敏化电池等。特别是在环境保护方面，TiO2 作为 光催化剂更是展现了广阔的应用前景。但TiO2 的禁带宽度是3.2eV，需要能量大于3.2eV 的紫外光（波长小于380nm）才能使其激发产生光生电子-空穴对，因此对可见光的响应低，导致太阳能利用率低（只利用约3~5%的紫外光部分）。同时光生电子和光生空穴的快速复合大大降低了TiO2 光催化的量子效率，直接影响到TiO2 光催化剂的催化活性。因此，提高光催化剂的量子效率和光催化活性成为光催化研究的核心内容。通过科学工
作者对二氧化钛的物质结构、制备方法、催化性能、催化机理等方面的深入系统的研究，这种快速高效、性能稳定、无毒无害的新型光催化材料在废水处理、有害气体净化、卫生保健、建筑物材料、纺织品、涂料、军事、太阳能贮存与转换以及光化学合成等领域得到了广泛应用。 1 TiO2光催化作用机理 “光催化”从字面意思看，似乎是指反应中光作为催化剂参加反应，然而事实并非如此。光子本身是一种反应物质，在反应过程中被消耗掉了，真正扮演催化剂角色的却是TiO2。因此，“光催化”反应的内涵是指在有光参与的条件下，发生在光催化剂及其表面吸附物（如H2O分子和被分解物等）之间的一种光化学反应和氧化还原过程。其具体的作用机理如下。 从结构上看，TiO2之所以在光照条件下能够进行氧化还原反应，是由于其电子结构为一个满的价带和一个空的导带。当光子能量（hν）达到或超过其带隙能时，电子就可从价带激发到导带，同时在价带产生相应的空穴，即生成电子（e-）、空穴（h+）对。通常情况下，激活态的导带电子和价带空穴会重新复合为中性体（N），产生能量，以光能（hν′）或热能的形式散失掉。 TiO2+hν→e-+h+ （1） e-+h+→N+energy（hν′ 光催化剂, 在紫外光或可见光的照射下能够裂解水来获取氢能[ 1], 也能够应用于太阳能电池把太阳能转换为化学能[ 2], 还能够将有机污染物降解为无机小分子H2O和CO2 等[3, 4], 显示出巨大的应用潜力。为了得到高光催化活性、高稳定性的半导体光催化剂人开展了大量的研究和开发, 其中最有代表性的半导体光催化剂是纳米二氧化钛光催化剂[ 3) 6]。为了提高量子产率和太阳能利用率,研究者对二氧化钛光催化剂进行了改性, 如采用贵金属阳离子和非金属元素( 阴离子) 进行掺杂[ 7) 9],以及制备二氧化钛与其他氧化物的复合物等。研究工作已取得了一些可喜的成绩, 但还是无法满足实际应用的需要。 研究光催化剂的另一条思路是寻找新型光催化剂。最近开发出很多新型光催化剂, 如层状化合物[ 10) 13]与构筑型新型化合物[ 14]等。其中Bi 基化合物因具有特殊的层状结构和适当大小的禁带宽度而引人注目。早期研究中, Bi 元素作为金属离子对二氧化钛进行掺杂改性[ 15, 16]; 后来发现许多Bi 基化合物都具有光催化性能, 如氧化铋[ 17]、卤氧化铋、铋酸盐[ 18, 19]、钨酸铋[ 20]、钼酸铋[ 21]及其他一些比较复杂的Bi 基化合物[22, 23]。其中最有代表性的是氧化铋系列化合物, 它们因具有较高的光催化活性和稳定性, 越来越受到人们的关注。本文对氧化铋化合物光催化剂的研究工作进行了总结和分析。 3.2.1 氨水沉淀法制备的Bi2O3纳米粒子的光催化活性 图 3.3、图 3.4 和图 3.5 示出分别用氨水沉淀法制备的Bi2O3纳米粒子光催化苯、甲苯、二甲苯所得的浓度随时间的变化关系。由图可见，在Bi2O3纳米粒子光催化下，苯、甲苯、二甲苯浓度均随反应时间的增加而降低，同时指出Bi2纳米粒子对三种污染物的光催化活性均随Bi2O3的焙烧温度的升高而增大。三种污染物的光催化降解的速率顺序为：二甲苯>甲苯>苯。 3.2.1 氨水沉淀法制备的Bi2O3纳米粒子的光催化活性 图 3.3、图 3.4 和图 3.5 示出分别用氨水沉淀法制备的Bi2O3纳米粒子光催化苯、甲苯、二甲苯所得的浓度随时间的变化关系。由图可见，在Bi2O3纳米粒子光催化下，苯、甲苯、二甲苯浓度均随反应时间的增加而降低，同时指出Bi2纳米粒子对三种污染物的光催化活性均随Bi2O3的焙烧温度的升高而增大。三种污染物的光催化降解的速率顺序为：二甲苯>甲苯>苯。 3.2.4 影响Bi2O3纳米粒子光催化活性的因素 3.2. 4.1 粒径的影响 由表 2.1、表 2.2、表 2.3 和图 3.3 到图3.11 可见，用三种制备方法均可得到纳米尺寸的Bi2O3粒子，且随焙烧温度的提高，粒子粒径没有明显的增大，随之粒子的比表面积也没有明显的变化。 将商品Bi2O3粒子与用多元醇介质法、氨水沉淀法和微乳法制备的Bi2O3纳米粒子的光催化活性进行比较，三种方法制备的Bi2O3纳米粒子有共同的特点：氧化物纳米粒子的光催化活性均优于相应的商品氧化物材料（两者粒径相差几倍或可达几十倍），粒径的较大差异导致：①半导体氧化物纳米粒子所具有的量子尺寸效应使其能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。这意味着纳米半导体粒子获得了更强的还原及氧化能力，从而光催化活性随尺寸量子化程度的提高而提高。②对于半导体氧化物纳米粒子而言，其粒径通常小于空间电荷层的厚度，在此情况下，空间电荷层的任何影响都可忽略，载流子可通过简单的扩散从粒子内部迁移到粒子表面而与电子给体或受体发生还原或氧化反应。粒径越小，电子从体内扩散到表面的时间越短，所以电子与空穴复合几率越小，电荷分离效果越好，从而导致光催化活性的提高。 同时发现，用上述三种方法制得的Bi2O3纳米粒子的光催化活性均甚高于商品；而在同一 光催化co2还原助催化剂综述 （原创版） 目录 一、引言 1.1 背景介绍 1.2 光催化 CO2 还原的意义 1.3 助催化剂的作用 二、光催化 CO2 还原系统 2.1 光催化剂 2.2 助催化剂 2.3 光催化 CO2 还原的反应过程 三、助催化剂的种类 3.1 金属催化剂 3.2 非金属催化剂 3.3 金属 - 非金属催化剂 四、助催化剂对光催化 CO2 还原的影响 4.1 提高光催化活性 4.2 提高光生电子空穴对的寿命 4.3 改变反应选择性 五、助催化剂的优缺点及发展前景 5.1 优点 5.2 缺点 5.3 发展前景 六、结论 正文 一、引言 1.1 背景介绍 随着全球气候变化和环境污染问题日益严重，开发可持续的能源转换和环境保护技术已成为当务之急。光催化 CO2 还原技术是一种将太阳能 直接转换为化学能的方法，可以将二氧化碳（CO2）转化为有价值的化学品，如甲醇、乙醇等，同时减少温室气体排放。这一技术具有能量转换效 率高、环境友好等优点，被认为是一种解决能源和环境问题的理想途径。 1.2 光催化 CO2 还原的意义 光催化 CO2 还原技术不仅可以实现太阳能的高效利用，还可以有效 地减少温室气体排放，缓解全球气候变暖问题。此外，通过光催化 CO2 还原，还可以将 CO2 转化为有价值的化学品，为石油替代品的开发提供新 思路。 1.3 助催化剂的作用 在光催化 CO2 还原过程中，助催化剂可以提高光催化剂的活性、选 择性和稳定性。因此，研究和开发高效的助催化剂对提高光催化 CO2 还 原技术的实际应用具有重要意义。 二、光催化 CO2 还原系统 2.1 光催化剂 光催化剂是光催化 CO2 还原系统的核心组成部分，其作用是将光能 转换为化学能，激发电子 - 空穴对。常用的光催化剂包括二氧化钛（TiO2）、硫化镉（CdS）等。 2.2 助催化剂 光催化剂的发展前景与突破 一、解决人类生存的重大问题 光催化学科是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域;光催化剂的研究应用一旦获得突破,将可以使环境和能源这两个二十一世纪人类面临的重大生存问题得以解决; 利用太阳能光催化分解水制氢H2O → H2 + O2 彻底解决能源问题 利用环境光催化 C6H6 + 7 O2 → 6 CO2 + 3H2O 彻底解决污染问题 光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳光作为光源来驱动反应等独特性能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术; 二、光催化研究领域急需解决的重大科技问题 目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存在一些关键科学技术难题,使其广泛的工业应用受到极大制约,而这些问题的解决有赖于深入系统的基础研究; 最突出的问题在于： 1量子效率低～4% 难以处理量大且浓度高的废气和废水,难以实现光催化分解水制氢的产业化; 2太阳能利用率低 由于TiO2半导体的能带结构Eg=决定了其只能吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分太阳光中紫外辐射仅占~5 %; 3多相光催化反应机理尚不十分明确 以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多实验现象,使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作盲目性大; 4光催化应用中的技术难题 如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收技术,在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂活性稳定性问题; 上述关键问题也是目前国内外光催化领域的研究焦点,围绕这些问题开展进一步的研究不仅可望在光催化基础理论方面获得较大的突破,而且有利于促进光催化技术真正能在上述众多领域得到大规模广泛工业应用; 三、光催化领域的最新研究进展 近年来,光催化的基础与应用研究发展非常迅速,特别是在可见光诱导的新型光催化 TiO2光催化原理及应用 一.前言 在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界范围内每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并且可能导致二次污染。包括我国在内世界范围内广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比较安全的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用范围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。 自然界中，植物、藻类和某些细菌能在太阳光的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或硫化氧）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）。这种光合作用是一系列复杂代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反应中最简单的形式，但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。 半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物(有机物、无机物)分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域，它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太阳光作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目的，对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。 二.TiO2的性质及光催化原理 许多半导体材料(如TiO2，ZnO，Fe2O3，ZnS，CdS等)具有合适的能带结构可以作为光催化剂。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。 TiO2属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板 目前主要针对TiO进行增加表面缺陷结构、减小颗粒大小增大比表面、贵金2 属表面沉积、过渡金属离子掺杂、半导体复合、表面光敏化、以及改变TiO2形貌和晶型等方法来提高其量子效率以及扩展其光谱响应范围。研制具有高量子产率，能被太阳光谱中的可见光激发的高效半导体光催化剂，探索适合的光催化剂负载技术，是当前解决光催化技术中难题的重点和热点。 表面缺陷结构 通过俘获载流子可以明显压制光生电子与空穴的再结合。在制备胶体和多晶光催化是和制备化学催化剂一样，一般很难制得理想的半导体晶格。在制备过程中，无论是半导体表面还是体内都会出现一些不规则结构，这种不规结构和表面电子态密切相关，可是后者在能量上不同于半导体主体能带上的。这样的电子态就会起到俘获载流子的阱的作用，从而有助于压制电子和空穴的再结合⑺。 颗粒大小与比表面积 研究表明，溶液中催化剂粒子颗粒越小，单位质量的粒子数就越多，体系的比表面积大，越有利于光催化反应在表面进行，因而反应速率和效率也越高。催化剂粒径的尺寸和比表面积的一一对应直接影响着二氧化钛光催化活性的高低。粒径越小，单位质量的粒子数目越多，比表面积也就越大。比表面积的大小是决定反应物的吸附量和活性点多少的重要因素。比表面积越大，吸附反应物的能力就越强，单位面积上的活性点也就越多，发生反应的几率也随之增大，从而提高其光催化活性。当粒子大小与第一激子的德布罗意半径大小相当，即在1-10 nm 时，量子尺寸效应就会变得明显，成为量子化粒子，导带和价带变成分立的能级，能隙变宽，生成光生电子和空穴能量更高，具有更高的氧化、还原能力，而粒径减小，可以减小电子和空穴的复合几率，提到光产率。再者，粒径尺寸的量子化使得光生电子和空穴获得更大的迁移速率，并伴随着比表面积的加大，也有利于提高光催化反应效率。 贵金属沉积的影响 电中性的并相互分开的贵金属的Fermi能级小于TiO2的费米（Fermi）能级，即贵金属内部与TiO2相应的能级上，电子密度小于口。2导带的电子密度，因此当两种材料连接在一起时，载流子重新分布，电子就会不断地从TiO2向贵金属迁移，一直到二者的Fermi能级相等时为止，如图。在TiO2表面沉积适量的贵金属有两个作用：一是减少了TiO2表面的电子密度，有利于光生电子和空穴的有效分离，二是降低还原反应(质子的还原、溶解氧的还原)的超电压，从而大大提高了催化剂的活性。研 几种半导体光催化剂的制备及光催化 性能研究共3篇 几种半导体光催化剂的制备及光催化性能研究1 半导体光催化剂是现代环境领域中广泛应用的一种新型材料。半导体光催化剂具有高效、环保、低成本等优点，已经在工业废水处理、空气净化、有机污染治理等方面得到了广泛的应用。本文将系统地介绍几种常见的半导体光催化剂的制备及其光催化性能研究。 1. TiO2光催化剂 TiO2是目前最常用的光催化剂之一。该材料具有高度的稳定性、抗腐蚀能力和对紫外线的高吸收率，因此可用于多种环境污染物的光催化降解。TiO2光催化剂的制备方法主要包括溶 胶-凝胶法、沉淀法、水热法和气相沉积法等。最常用的制备 方法是溶胶-凝胶法，通过控制预处理条件可以得到具有不同 晶相结构、尺寸和形貌的TiO2粒子。此外，多种改性技术也 可以提高TiO2的光催化性能，如金属离子掺杂、有机铵基导 入等。 2. CdS光催化剂 CdS是一种良好的光催化剂，它在可见光区有很好的吸收和利 用能力。CdS光催化剂的制备方法主要包括水热法、沉淀法、 物理合成法和溶剂热法等。水热法是目前最简单、最容易实现 的方法，可以得到一系列不同形态和结构的CdS纳米颗粒。近年来，CdS复合光催化剂的研究逐渐成为研究热点，如CdS与TiO2、CdS与ZnO等复合光催化剂均具有良好的光催化性能。 3. ZnO光催化剂 ZnO是一种广泛应用的半导体光催化剂，具有良好的催化活性 和光稳定性。ZnO光催化剂制备方法主要包括溶胶-凝胶法、 水热法、微波辅助水热法等。其中水热法最为普遍，通过不同制备条件控制可制备出多种形貌和结构的ZnO纳米颗粒。此外，ZnO复合光催化剂的研究也引起了研究人员的关注，如ZnO与TiO2、ZnO与CdS等复合光催化剂也具有很好的光催化性能。 4. WO3光催化剂 WO3是一种可见光响应型的半导体光催化剂，其光催化性能随 着W元素的掺杂降低，而Bi、Mo、Fe等元素的掺杂则可以提 高其光催化性能。WO3光催化剂的制备方法主要包括溶胶-凝 胶法、水热法、水热沉淀法等。其中，水热法制备的WO3粒子比较均一，具有较高的光催化性能。 总之，半导体光催化剂的制备方法包括溶胶-凝胶法、水热法、物理合成法、沉淀法等，不同方法可以得到具有不同形貌和结构的半导体光催化剂。此外，复合光催化剂的研究也越来越受到研究人员的关注，可以通过不同材料的组合得到具有更高光催化性能的新型材料。因此，进一步研究半导体光催化剂的性 非金属催化剂 什么是非金属催化剂？ 非金属催化剂是指不含金属元素的催化剂。与传统的金属催化剂相比，非金属催化剂具有更好的环境友好性、更高的选择性和活性等优点。 目前，非金属催化剂已经广泛应用于有机合成、环境保护、能源转换 等领域。 非金属催化剂的种类 1.碳基材料 碳基材料是一种重要的非金属催化剂。它们具有良好的稳定性、活性 和选择性，并且可以通过简单的制备方法得到。常见的碳基材料包括 石墨烯、富勒烯、碳纳米管等。 2.氧族元素 氧族元素如硫、氮等也可以作为非金属催化剂使用。它们具有较高的 电子亲和力和电子损失能力，可以参与许多重要反应如氧还原反应等。 3.半导体材料 半导体材料如二氧化钛、二硫化钼等也可以作为非金属催化剂使用。这些材料具有良好的光学和电学性质，并且可以通过光催化和电催化的方式促进许多反应。 非金属催化剂的应用 1.有机合成 非金属催化剂在有机合成中得到了广泛的应用。例如，碳基材料可以作为催化剂参与许多重要的反应如氧化、还原、羰基化等。氧族元素也可以作为非金属催化剂参与许多重要的有机反应如酰胺合成、烯烃加氢等。 2.环境保护 非金属催化剂在环境保护中起着重要作用。例如，二氧化钛可以通过光催化降解水中的有害物质，如苯酚、甲苯等。硫和氮也可以作为非金属催化剂参与废水处理、大气污染控制等方面。 3.能源转换 非金属催化剂在能源转换领域也具有广泛应用。例如，二硫化钼可以作为非金属催化剂促进水分解产生氢气；碳基材料可以作为电极材料用于燃料电池等。 结论 总之，非金属催化剂具有广泛的应用前景和重要的意义。未来，随着科学技术的不断进步和发展，非金属催化剂在各个领域中的应用将会越来越广泛。 二氧化钛(TiO2)由于其优异的光电转换及物化性能成为半导体光催化材料中的研究热点。二氧化钛纳米晶半导体太阳能电池,就是利用纳晶多孔薄膜电极,通过增大其表面积来提高电池的光电转换效率,该项技术无论在理论基础及应用技术上都有一定的发展潜力,具有取代硅太阳能电池及传统的太阳能电池发电的可能性,对TiO2纳米晶半导体太阳能电池的深入研究,大大促进纳米结构半导体光电化学新兴学科领域的发展。在环境污染的治理,TiO2在能量大于其禁带宽度的光照射下,产生电子与空穴对,然后光生电子迁移至催化剂表面实现光生载流子的有效分离,光生空穴的强氧化能力以及导带电子的还原能力使其能有效地氧化还原大部分有机物及一些金属离子,基于这一点,在环境污染的治理方面具有重大意义,因而制备性能优良的二氧化钛光催化剂成为一项有意义的工作。 TiO2就是一种价格便宜、无毒、稳定且抗腐蚀性良好的半导体材料。但就是,由于纳米尺度的TiO2能带间隙较宽(锐钛矿3、23eV,金红石型3、02eV),对太阳光的吸收效率很低,只能吸收太阳光中4%的紫外光部分,所以必须对其进行改性,扩宽其吸收利用的波段。一般有以下三种方法:一就是通过与能带间隙较窄的半导体复合;二就是通过掺杂其她元素;三就是利用染料进行TiO2的敏化。 TiO2通常有三种晶型,板钛矿(brookite)在自然界中量很少而研究极少;在这三种晶型中,锐钛矿(anatase)的催化活性最高。锐钛矿与金红石的结构可以用一个Ti06八面体链来表示,不同之处在于二种晶型的变形程度与八面体链的连结方式不同,每个Ti4+被6个O2-包围,形成一个八面体。金红石八面体结构并不规则,呈现轻微的正交晶系变形;锐钛矿八面体变形程度更大,因此对称性减小。 板钛矿属斜方晶系,性质不稳定,在650℃时转化成金红石结构,其应用的不就是很多;锐钛矿比较稳定,在800℃时转化成金红石结构,金红石不可转化成锐钛矿与板钛矿,金红石与锐钛矿都属于四方晶系,TiO2晶体中Ti4+离子位于相邻的六个O2-离子所形成的八面体中心。每个氧原子周围有三个钛原子,这三个钛原子位于不同的八面体中心,TiO2之所以存在三个不同的晶型主要就是因为八面体结构中内部的扭曲与互相连接的方式就是不同 一般认为,锐钛矿型TiO2催化剂光催化活性较高,而金红石型TiO2无催化活性或者催化性能差,原因就是金红石型TiO2禁带宽度为3、0eV(相当于410nm),导带电位就是-0、3eV,而O2／O2-的标准氧化还原电位为-0、33V,因此导带电子不可能通过TiO2表面的O2捕获从而加速导带电子与价带空穴的复合以至于降低催化活性;而锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3、2eV,导带电位为-0、5eV,O2很容易得到导带电子使导带电子与价带空穴有效地分离从而提高催化活性。 二氧化钛催化剂技术的应用现状与前景 锐钛矿型TiO2在受到太阳光或荧光灯的紫外线的照射后,内部的电子发生激励,产生带负电的电子与带正电的空穴。电子使空气或水中的氧还原,生成双氧水,而空穴则向氧化表面水分子的方向起作用,产生氢氧(羟)基原子团。这些都就是活性氧,有着很强的氧化分解能力,从而能够分解、清除附着在氧化钛表面的各种有机物。二氧化钛不仅具有较强的氧化分解能力,而且自身不分解、几乎可永久性地起作用以及可以利用阳光与荧光灯的光线等优点。目前,二氧化钛的用途集中在 氧化铟及其复合物的制备、表征和光催化性能研究 氧化铟及其复合物的制备、表征和光催化性能研究 1.引言 光催化技术作为一种有效的环境治理技术，在污染物处理和能源转化方面受到了广泛关注。氧化铟因其良好的光学和电学性能，以及优异的光催化活性成为研究热点。本文将综述氧化铟及其复合物在光催化领域的制备、表征和性能研究。 2.氧化铟的制备 氧化铟的制备方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法包括热蒸发、磁控溅射等；化学法包括水热法、溶胶凝胶法等；生物法则利用生物体或生物辅助产生氧化铟。其中，水热法制备氧化铟具有工艺简单、成本低、可控性好等优点。 3.氧化铟复合物的制备 氧化铟复合物的制备通常通过溶剂热法、共沉淀法、负载法等方法进行。溶剂热法是一种将氧化铟与其他原料混合溶解于溶剂中，在特定条件下加热制备的方法。共沉淀法则是将氧化铟和其他金属离子共同加入溶液中进行共沉淀。负载法是将其他催化剂或场助剂负载在氧化铟表面。这些方法能够制备出具有较好光催化性能的氧化铟复合物。 4.氧化铟及其复合物的表征 X射线衍射技术（XRD）是表征氧化铟及其复合物结构的重要工具。通过XRD可以确定材料的结晶相、晶格常数和晶粒大小等信息。扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）可以获得材料的形貌和结构特征。BET比表面积分析可测定材料的比表面积。X射线光电子能谱（XPS）可以获得材料的电子能级信息，了解材料的化学成分和表面化学性质。 5.氧化铟及其复合物的光催化性能研究 光催化实验通常采用可见光或紫外光作为光源，通过检测反应物质的分解率和产物的生成率来评价催化剂的性能。氧化铟相对于其他光催化剂具有较大的吸光能力和较高的光电转化效率。其复合物通过引入其他金属或非金属元素实现了材料光吸收范围的调控和能带结构的调整，从而进一步提升了光催化性能。 6.氧化铟及其复合物在环境治理和能源转化中的应用 氧化铟及其复合物在水处理、空气净化和能源转化等方面有着广泛的应用。在水处理中，氧化铟可实现高效降解有机污染物。在空气净化中，氧化铟在可见光下表现出良好的光催化活性，可用于降解有毒有害气体。在能源转化中，氧化铟可作为光电催化剂用于光电转化和光解水产氢等领域。 7.结论 氧化铟及其复合物作为一类优异的光催化材料，因其良好的光学和电学性能，以及优异的催化活性，在环境治理和能源转化领域具有重要的应用价值。本文综述了氧化铟及其复合物的制备方法、表征手段和光催化性能研究，并对其在环境治理和能源转化中的应用进行了概述。相信随着对氧化铟材料的深入研究和技术的不断改进，其在相关领域的应用将得到进一步拓展和完善 综合以上所述，氧化铟及其复合物作为光催化材料在环境治理和能源转化领域具有广泛应用的潜力。氧化铟具有较高的吸光能力和光电转化效率，通过引入其他元素实现了材料光吸收范围和能带结构的调控，进一步提升了其光催化性能。在水处理方面，氧化铟能够高效降解有机污染物；在空气净化方面，可见光下的氧化铟表现出良好的光催化活性，可用于降解有害 单质光催化剂 引言 光催化技术是一种利用光能激发催化剂进行化学反应的方法。近年来，单质光催化剂作为一种新型催化剂备受关注。本文将介绍单质光催化剂的定义、工作原理、应用领域以及未来发展趋势。 一、定义 单质光催化剂是指由单一元素构成的催化剂，在光照条件下能够催化化学反应。与传统的光催化剂相比，单质光催化剂具有更高的催化效率和更广泛的应用领域。 二、工作原理 单质光催化剂的工作原理基于光生载流子的产生和利用。在光照条件下，催化剂表面的原子或离子吸收光能，产生激发态的载流子。这些激发态的载流子可以参与化学反应，加速反应速率。同时，单质光催化剂还能有效分解有害物质，净化环境。 三、应用领域 1. 环境净化：单质光催化剂可以用于空气和水的净化。例如，通过使用单质光催化剂可以将有害气体如甲醛、苯等转化为无害的二氧化碳和水。此外，单质光催化剂还可以降解水中的有机污染物，提高水质。 2. 可见光催化剂：与传统的光催化剂相比，单质光催化剂对可见光 的吸收能力更强。因此，单质光催化剂在可见光催化领域具有广阔的应用前景。例如，利用单质光催化剂可以实现可见光催化水分解产氢，为未来的清洁能源提供可能。 3. 光催化合成：单质光催化剂在有机合成领域也有广泛的应用。通过优化催化剂的形貌和晶体结构，可以实现高效催化有机反应，提高产率和选择性。 四、未来发展趋势 1. 多元化催化剂：单质光催化剂目前主要以金属为主，未来的发展趋势是开发更多元化的催化剂。例如，利用非金属元素构建单质光催化剂，可以进一步提高催化效率和稳定性。 2. 功能化调控：通过对单质光催化剂进行功能化调控，可以实现更多样化的催化反应。例如，引入特定功能基团可以实现特定的催化反应，拓宽催化剂的应用范围。 3. 纳米尺度催化剂：随着纳米科技的发展，纳米尺度的单质光催化剂将成为未来的发展方向。纳米尺度的催化剂具有更高的比表面积和更好的光吸收能力，能够进一步提高催化效率。 结论 单质光催化剂作为一种新型催化剂，在环境净化、可见光催化和有机合成等领域具有广泛的应用前景。未来，通过多元化催化剂、功能化调控和纳米尺度催化剂的发展，单质光催化剂将进一步提高催 g-c3n4 我们应该知道g-C3N4是一种典型的聚合物半导体，其结构中的CN原子以sp2杂化形成高度离域的π共轭体系。其中Npz轨道组成g-C3N4的最高占据分子轨道（HOMO），Cpz轨道组成最低未占据分子轨道（LUMO），禁带宽度~2.7 eV，可以吸收太阳光谱中波长小于475的蓝紫光。g-C3N4具有非常合适的半导体带边位置，满足光解水产氢产氧的热力学要求。此外与传统的TiO2光催化剂相比，g-C3N4还能有效活化分子氧，产生超氧自由基用于有机官能团的光催化转化和有机污染物的光催化降解。 g-C3N4是一种近似石墨烯的平面二维片层结构，有两种基本单元，分别以三嗪环(C3N3，左图)和3-s-三嗪环(C6N7，右图)为基本结构单元无限延伸形成网状结构，二维纳米片层间通过范德华力结合。Kroke等通过密度泛函理论（DFT）计算表明3-s-三嗪环结构较三嗪环结构连接而成的g-C3N4更稳定。 g-C3N4分子结构 它有着以下优点：g-C3N4作为新型非金属光催化材料与传统的TiO2光催化剂相比，g-C3N4吸收光谱范围更宽，不需要紫外光仅 在普通可见光下就能起到光催化作用；同时，比起TiO2，g-C3N4更能有效活化分子氧，产生超氧自由基用于有机官能团的光催化转化和有机污染物的光催化降解，更适用于室内空气污染治理和有机物降解。 ·g-C3N4作为新型非金属光催化材料与传统的TiO2光催化剂相比，g-C3N4吸收光谱范围更宽，不需要紫外光仅在普通可见光下就能起到光催化作用；同时，比起TiO2，g-C3N4更能有效活化分子氧，产生超氧自由基用于有机官能团的光催化转化和有机污染物的光催化降解，更适用于室内空气污染治理和有机物降解。 非金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)光催化降解水中有机污染物的 研究进展 梁发文;官海汕;李江鸿;李帅;黄俊兰;江学顶;李富华;陈忻;许伟城 【期刊名称】《人工晶体学报》 【年(卷),期】2023(52)1 【摘要】近年来,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))以其合适的带隙宽度、丰富的活性 位点和成本低廉等优点,成为新兴的可见光响应非金属光催化剂,被广泛应用于光催 化降解有机污染物领域。然而,纯g-C_(3)N_(4)对可见光的吸收效率较低且光生电 子和空穴复合速率快,导致其光催化活性处于较低水平。基于g-C_(3)N_(4)的非金 属特性,通过非金属掺杂可以有效提高g-C_(3)N_(4)的光催化性能,引起了学者们的广泛关注。本文介绍了目前非金属掺杂g-C_(3)N_(4)复合材料常见的制备方法,着 重归纳了不同类型的非金属掺杂g-C_(3)N_(4)光催化降解水中有机污染物的相关 研究进展,探讨其作为光催化剂在可见光条件下降解有机污染物的相关机理。最后, 提出目前g-C_(3)N_(4)基复合材料在光催化降解水中有机污染物中所面临的挑战, 旨在为非金属掺杂g-C_(3)N_(4)耦合光催化在水中有机污染物降解方面提供参考。【总页数】12页(P170-181) 【作者】梁发文;官海汕;李江鸿;李帅;黄俊兰;江学顶;李富华;陈忻;许伟城 【作者单位】佛山科学技术学院交通与土木建筑学院;佛山科学技术学院环境与化 学工程学院 【正文语种】中文 【中图分类】O643;O644.1 【相关文献】 1.抗坏血酸改性Br掺杂g-C_(3)N_(4)光催化降解污染物 2.Fe(NO_(3))_(3)掺杂g-C_(3)N_(4)的制备及光催化降解甲苯研究 3.具有高效光催化析氢和污染物降解性能的三维多孔V_(2)O_(5)/g-C_(3)N_(4)制备 4.掺杂改性g-C_(3)N_(4)光催化剂在污染物降解中的研究进展 https://www.360docs.net/doc/3b19247384.html,掺杂g-C_(3)N_(4)光催化降解亚甲基蓝研究 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买 非金属光催化剂 非金属光催化剂是一种能够利用光能进行化学反应的材料，具有广泛的应用前景。相比于传统的金属光催化剂，非金属光催化剂具有更高的光催化活性、更低的成本和更好的环境友好性。本文将从非金属光催化剂的定义、优势、应用领域以及未来发展方向等方面进行介绍。 我们来了解一下非金属光催化剂的定义。非金属光催化剂是指由非金属元素或化合物制备而成的材料，能够吸收可见光或紫外光，并利用光能促进化学反应的进行。相对于金属光催化剂，非金属光催化剂具有更高的光催化活性和更低的成本，因此在环境净化、能源转化、有机合成等领域具有广泛的应用前景。 非金属光催化剂具有许多优势。首先，非金属光催化剂具有更高的光催化活性。由于金属光催化剂受到了费米能级匹配的限制，其光催化活性有限。而非金属光催化剂可以通过调整材料的能带结构和能级分布来提高光催化活性，从而提高反应效率。 非金属光催化剂在许多领域具有广泛的应用。首先，非金属光催化剂在环境净化方面具有重要作用。通过利用非金属光催化剂对有机污染物和重金属离子进行光催化降解，可以有效地净化水和空气中的污染物，实现环境净化。其次，非金属光催化剂在能源转化方面具有潜在应用。通过利用非金属光催化剂吸收太阳能进行光催化水分解，可以产生氢气作为清洁能源。此外，非金属光催化剂还可以 应用于有机合成领域，实现高效、环境友好的有机合成反应。 未来，非金属光催化剂的发展方向主要包括以下几个方面。首先，研究人员可以进一步优化非金属光催化剂的光催化活性。通过设计新型的非金属光催化剂结构，调控材料的能带结构和能级分布，提高光催化活性，实现更高效的化学反应。其次，研究人员可以进一步降低非金属光催化剂的成本。通过开发新的制备方法和利用廉价的原料，降低非金属光催化剂的制备成本，推动其在实际应用中的广泛应用。此外，研究人员还可以进一步提高非金属光催化剂的稳定性和循环利用率，以满足实际应用的需求。 非金属光催化剂是一种具有广泛应用前景的材料。相比于金属光催化剂，非金属光催化剂具有更高的光催化活性、更低的成本和更好的环境友好性。非金属光催化剂在环境净化、能源转化、有机合成等领域具有重要应用。未来，研究人员可以进一步优化非金属光催化剂的性能，推动其在实际应用中的广泛应用。非金属光催化剂的发展将为解决环境污染和能源短缺等问题提供新的解决方案。 将光催化剂的粒子纳M化，从理论上将产生如下的四个效应，可以有效提高量子产率，利于光催化反应［12］。 a.能级移动 由量子效应引起的导带电子和价带空穴的能级移动，使光催化剂的还原性和氧化性增大，使得不被普通微M级粒子还原的分子可被超微粒子还原。这个效应可认为与电极反应中电压增大的效果类似。这是因为超微粒子的电子俘获能级在导带附近上升，并且这种能级的的移动伴随着吸收光谱向短波方向移动。因而如果想用太阳光中的可见光为光源，必须使用能隙比较窄的半导体材料。b5E2RGbCAP b.光激发位置趋于表面 半导体的粒径变小，光激发产生的电子-空穴对能很快到达催化剂表面。由于反应是在表面进行的，可以使更多的光生电子和空穴被氧化剂或还原剂吸收，有效减少电子和空穴的复合，因而氧化或还原的速率就会增加。plEanqFDPw C.电荷分离的空间变小 半导体光催化剂内部会产生空间电荷层，这种电势梯度避免了光激发的电子- 空穴对的复合。然而，电子-空穴对在狭小的空间产生，复合的几率也会增加。由于表面的氧化-还原反应与复合反应竞争，粒径的减小也可能引起反应速率的降低。 DXDiTa9E3d d.表面积增大 对于所有的催化剂，超微粒子化将使表面积增大，从而使催化剂活性增大。对于粒径在12〜150 nm的TiO2光催化剂，从水或乙醇中产生的氢活性与粒径成反比关系［13］，其原因不仅在于催化剂表面积的增大，而且与能量状态有关。RTCrpUDGiT 1.5.2可见光敏化 可见光敏化是指光催化剂表面经物理或化学吸附一些有机物，经一定波长的光激发后产生光生电子，然后注入到半导体光催化剂的导带上，从而在TiO2中产生载 流子的过程。由于TiO2的带隙较宽，只能吸收紫外光区光子。而敏化作用可以提高光激发过程的效率，通过激发光敏剂把电子注入到半导体的价带上，从而扩展了光催化剂激发波长的响应范围，使之有利于降解有机化合物。敏化剂对半导体的激发、电荷转移和敏化剂再生进行过程如图1-4所示［14］。其具体过程为：首先，染料被吸附在半导体的表面，然后在光激发下吸附染料分子吸收光子而被激发产生光生电子；激发态染料分子将电子注入到半导体的导带上，再将电子转移到被吸附于表面上的氧分子中产生氧气负离子。5PCzVD7HxA光催化剂
光催化co2还原助催化剂综述
光催化剂的发展前景与突破
TiO2光催化原理及应用
二氧化钛光催化影响因素
几种半导体光催化剂的制备及光催化性能研究共3篇
非金属催化剂
TiO2光催化
氧化铟及其复合物的制备、表征和光催化性能研究
单质光催化剂
g-c3n4
非金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)光催化降解水中有机污染物的研究进展
非金属光催化剂
二氧化钛光催化特性的改性