光催化及材料
光催化材料的研究与应用前景
光催化材料的研究与应用前景光催化材料是一种能够利用光能进行化学反应的材料，近年来备受研究者的关注。
其独特的性质和广泛的应用前景使得光催化材料成为材料科学领域的热门研究方向之一。
本文将从光催化材料的基本原理、研究进展以及应用前景三个方面进行论述。
首先，光催化材料的基本原理是指在光照条件下，通过材料表面的光催化剂吸收光能，产生电子-空穴对并引发化学反应。
这种原理的实现依赖于光催化剂的能带结构和表面反应活性。
光催化剂一般由半导体材料构成，如二氧化钛、氧化锌等。
在光照条件下，光催化剂的能带结构使得光能被吸收，产生电子-空穴对。
电子和空穴的迁移能够促进氧化还原反应、光解水等化学反应的发生。
因此，光催化材料具有高效、可控和环境友好等优点，被广泛应用于环境净化、能源转换等领域。
其次，光催化材料的研究进展主要体现在两个方面。
一方面，研究者通过改变光催化剂的结构和组成，提高光催化材料的光吸收能力和光催化活性。
例如，通过掺杂、合金化和修饰等方法，可以调控光催化剂的能带结构和表面反应活性，从而提高光催化材料的光催化性能。
另一方面，研究者还致力于开发新型的光催化材料，如金属有机骨架材料、二维材料等。
这些新型材料具有特殊的结构和性质，能够实现更高效的光催化反应。
通过这些研究进展，光催化材料的光催化性能得到了显著提升。
最后，光催化材料在环境净化、能源转换等领域具有广阔的应用前景。
在环境净化方面，光催化材料可以通过光催化氧化、光催化还原等反应，降解有机污染物、净化废水和废气。
例如，利用光催化材料可以将有害的有机物质分解为无害的物质，从而实现水和空气的净化。
在能源转换方面，光催化材料可以通过光解水反应、光催化还原反应等方式，实现太阳能的转化和储存。
例如，利用光催化材料可以将太阳能转化为氢能或其他可再生能源，从而满足能源需求和减少环境污染。
这些应用前景使得光催化材料成为环境科学和能源科学领域的重要研究方向。
综上所述，光催化材料作为一种能够利用光能进行化学反应的材料，具有重要的研究意义和应用前景。
6种常见的光催化材料
6种常见的光催化材料
1 什么是光催化材料
光催化材料是一种用于光催化反应的特殊材料，它能将光能转换成化学能量，使反应达到光能驱动的效果。
具有良好的光催化性能、高选择性、高活性和可控度等特点。
2 常见的光催化材料
(1)氧化钛：它是最常用的光催化材料之一，具有良好的光化学性能，能够有效地将可见光能转换成化学能量，用于光驱动水体中污染物的去除，消除由空气污染物引发的健康问题。
(2)氧化锌：氧化锌是另一种常用的光催化材料，具有良好的光催化性能，能有效地利用可见光转换成化学能量，用于水体中污染物的降解。
(3)氧化亚铁：氧化亚铁也是一种常用的光催化材料，它能有效利用可见光将光能转化成化学能量，有效控制空气中的污染物。
(4)氧化铝：氧化铝是一种有效的光催化材料，具有良好的光催化性能，可有效地转化可见光的光能成为化学能量，有效控制空气中的污染物。
(5)金属和金属氧化物卤化物：金属和金属氧化物卤化物也可用作光催化材料，具有分离能力强，反应速率快，复杂度低等特点，能够有效地将光能转化成化学能量进行污染物的去除。
(6)纳米材料：纳米材料也是一种常见的光催化材料，由于纳米材
料具有表面积大，分子排列密集等特点，可大大提高其表面光吸收率，可将光能转换成化学能量，有效降解污染物。
3 总结
光催化材料是一种用于光驱动反应的特殊材料，它能有效将可见
光转化成化学能量，有效去除水中和空气中的污染物，消除由污染物
引发的健康问题。
常见的光催化材料包括氧化钛、氧化锌、氧化亚铁、氧化铝、金属和金属氧化物卤化物、纳米材料等。
不同形貌结构光催化剂
不同形貌结构光催化剂
1. 纳米颗粒光催化剂：由纳米颗粒构成，其具有较大的比表面积，可以提高反应速率和催化效率。
2. 多孔结构光催化剂：具有较大的孔隙结构，可以提高反应物的扩散速率和容纳量，增加反应接触面积，从而提高催化效率。
3. 杂化光催化剂：将不同的材料进行结合，形成具有双重催化机制的杂化光催化剂，可以提高反应效率和选择性。
4. 纳米线/纳米棒光催化剂：由纳米线或纳米棒构成，具有高度方向性的结构，可以提高活性位点的暴露程度，也可以增加光吸收效率。
5. 二维材料光催化剂：如石墨烯等，具有高度可控制的结构和较大的内部空腔，可用于高效光催化反应。
6. 金属有机骨架光催化剂：由金属离子和有机分子构成，具有较复杂的结构，可以实现特定反应机制和高效光催化作用。
7. 硅纳米棒光催化剂：由硅纳米棒构成，其独特的结构可以增加反应物质的吸附和光吸收效率，提高反应速率和催化效率。
光催化材料简介
光催化材料简介
光催化材料是一种能够利用光能来催化化学反应的材料。
它们通常由半导体材料或者金属催化剂和光敏剂组成。
在光照下，光催化材料能够吸收光能，并将其转化为电子和空穴对。
这些电子和空穴能够参与到化学反应中，从而加速反应速率或改变反应路径。
光催化材料在环境治理、能源产生和化学合成等领域具有广泛的应用。
例如，它们可以被用于水和空气中有害物质的分解和去除。
在水处理中，光催化材料可以利用光能将有机物、重金属等污染物质转化成无害的产物。
在空气净化中，光催化材料能够分解有害气体，如甲醛、苯等。
此外，光催化材料也可以应用于太阳能转换和储存。
例如，它们可以作为光电池的组件，将光能转化成电能。
同时，它们也可以被用于光催化水分解，将光能转化成化学能，从而产生氢气燃料。
光催化材料的研究和应用仍然面临一些挑战。
例如，光催化材料的效率和稳定性仍然需要提升。
此外，如何选择合适的光敏剂和催化剂组合，以及如何提高光吸收能力也是研究的重点。
总的来说，光催化材料具有巨大的潜力，可用于解决环境和能源方面的问题。
通过进一步的研究和开发，光催化材料有望实现更高效、稳定和经济可行的应用。
光催化材料要求
光催化剂对于光催化氧化反应是十分重要的,光催化氧化反应必须在有光催化剂的条件下才能进.光催化氧化以n 型半导体为催化剂, 一般为金属氧化物和金属硫化物(TiO2,ZnO , WO3 , 和CdS等).
然而, 目前研究者一般均选用TiO2作为光催化氧化的催化剂, 这是由于Ti 的特性所决定的.
Ti 是TiO2的金属单质, 在地球上占金属中储量的第四位, 其主要矿物为钛铁矿和金红石, 在地壳中含量丰富。
TiO2为钛系最重要的产品之一, 俗称钛白, 广泛地用作白颜色和添加剂.TiO2主要分为锐钛型和金红石型, 主要性能见表1 .
2
型的催化性能更好.所以,水处理的光催化氧化反应一般选锐钛型氧化钛.
TiO2的化学性质
光化学性质均十分稳定,在常温下, TiO2几乎不与其他化合物作用,不溶于水，稀酸，微溶于碱和热硝酸.只有经长时间煮沸条件下才溶于浓H2SO4和H F , 不与空气中CO2,SO2,O2等发生反应.TiO2的光化学性质也十分稳定,在紫外光照射下接触还原剂,不会因为脱氧还原而被腐蚀TiO2在生物学上属惰性物,不溶解,
不水解,不参与新陈代谢,无急性或慢性毒害作用,特别是作为饮用水处理,不会造成二次污染,可以确保水质安全。
光催化材料的性能研究及优化
光催化材料的性能研究及优化光催化材料是一种利用光能转化化学能的新型材料，具有广泛的应用前景。
其性能直接影响着光催化反应的效率和稳定性。
因此，研究光催化材料的性能并寻找优化途径显得尤为重要。
一、光催化材料的性能评价指标光催化材料的性能评价指标包括吸光性能、光生载流子分离效率、光催化活性、稳定性等。
其中，吸光性能直接影响着光能的利用率，而光生载流子分离效率则决定着光催化反应的速率。
光催化活性则是衡量材料在光催化反应中的表现，而稳定性则关乎材料的使用寿命。
二、提高吸光性能的方法为了提高光催化材料的吸光性能，可以从多个角度进行优化。
首先是调整材料的带隙结构，使得其吸收更多波长的光线。
其次是引入表面等离子共振效应，增强材料的光吸收能力。
此外，合理设计材料的形貌和结构，也能够有效提高其吸光性能。
三、提高光生载流子分离效率的策略光生载流子的快速分离是实现高效光催化反应的关键。
为了提高光生载流子分离效率，可以采用一系列手段。
例如，引入半导体异质结构，构建p-n结等势提高光生载流子的分离效率。
此外，调控材料的缺陷态和表面能级，也能有效促进光生载流子的分离。
四、提高光催化活性的途径提高光催化活性需要兼顾材料的吸光性能和光生载流子的分离效率。
一方面，通过调控材料的电子结构和表面反应活性位，增强光催化反应的速率。
另一方面，优化催化剂的比表面积和孔结构，提高光催化活性。
五、提高光催化材料的稳定性光催化材料在长时间的使用过程中往往会受到光照、溶液条件等多方面的影响而发生退化。
为了提高材料的稳定性，可以采用一些方法。
例如，引入稳定的包覆层或者引入共敏剂，增强材料的抗氧化性。
此外，优化材料的晶体结构和生长过程，减少缺陷和杂质的产生，也有利于提高材料的稳定性。
六、结语光催化材料的性能研究及优化是一个综合性的课题，需要从各个方面综合考虑。
通过不断的优化，提高光催化材料的吸光性能、光生载流子分离效率、光催化活性和稳定性，将会推动光催化技术的发展，为解决环境污染、能源危机等问题提供新的有效途径。
环境光催化材料与光催化净化技术——【功能材料 精】
La3+
抑制金红石相成核长大，提
高氧空位和缺陷浓度。
3mol% 600℃ 3mol% 500℃
Ce4+、Ce3+ Zn2+
抑制晶粒生长及相变发生， 提高氧空位和缺陷浓度，Ce4+ 易捕获光生电子。
抑制晶粒生长及相变发生， 提高氧空位和缺陷浓度，
3mol% 500℃
Cu2+、Cu+
促进金红石相成核长大，Cu2+ 易捕获光生电子，Cu+易于捕 获空穴。
基于电子能带结构设计的光催化剂 基于固溶体结构设计的光催化剂 基于微观结构设计的光催化剂
基于电子能带结构设计的光催化剂
基于电子能带结构设计的光催化剂
掺杂
能带调控
实际光催化剂电子结构更加复杂，存在缺陷或氧空位等
都可产生杂质能级，使得响应波长红移，另外表面态在光 电化学中存在能级固定的重要现象。
掺杂
e— •OH+OH— O2—•OH+OH—+O2
TiO2+hv
1. >TiOH
h+ v.b.
2.R
R
O2—,HOO•,HOOH,HOO—,HO•,OH—,H2O
R•
•ROH
活性氧物质
氧化 产物
热力 学氧 化
CO2 矿化
1.空穴
空穴是光化学反应中主要的一种氧化物质。有些纳晶光催化剂表面有深和浅 两种不同的捕获位存在。其中浅捕获位容易热激发回到价带，与自由空穴建立自 由转化。浅捕获空穴与自由空穴具有相当的反应活性与迁移性。深捕获空穴则具 有较弱的氧化能力。浅捕获空穴能迅速与表面化学吸附的物质反应，而深捕获空 穴则易于和物理吸附的物质反应，反应速率较慢。
光催化材料及应用课程简介和教学大纲
《光催化材料及应用》课程简介课程编号：02034903课程名称：光催化材料及应用/Photocatalytic materials and applications学分：2学时：32 （课内实验（践）：上机：课外实践：）适用专业：材料科学与工程专业建议修读学期：第6学期先修课程：材料科学基础考核方式与成绩评定标准：考核方式为提交论文的考查方式，平时成绩占20%,论文成绩占80%。
教材与主要参考书目：无教材参考书目：L《半导体材料》，杨树人等主编，科学出版社，2004年2.《光催化催化材料与光催化净化技术》，蔡伟民等编，上海交通大学出版社，2011年3.《纳米光催化及光催化环境净化材料》，刘春艳著，化学出版社，2008年内容概述：中文：木课程涉及光催化材料的概念、研究历史、光催化材料的种类、性质、制备方法以及其在实际生活中的应用。
希望在教师指导下，学生能了解一些常规的光催化材料及其性质和应用，并能深刻理解常见光催化材料的基本概念，掌握光催化的工作原理及特性分析。
通过本课程的学习，希望学生能对光催化科学产生浓厚的兴趣，便于学生更深层次的学习，并用自己所学知识分析和处理日常生活中所遇到的一些问题。
英文：This course covers the concept, research history, type, properties, synthetic methods of photocatalytic materials, andtheir applications in real life. It is hoped that the students can understand the properties and applications of some conventional photocatalytic materials, and can understand the basic concepts of common photocatalytic material, master the analysis of principle and properties of photocatalytic under the guidance of the teachers. Through studying this course, students are expected to have a strong interest in semiconductor science, which is convenient for the students to further understand materials, and to use own knowledge in analyzing and encountering some problems in daily life.《光催化材料及应用》教学大纲课程编号：02034903课程名称：光催化材料及应用/Photocatalytic materials and applications学分:2学时：32 （课内实验（践）：上机：课外实践：）适用专业：材料科学与工程专业建议修读学期：第6学期先修课程：材料科学基础一、课程性质、目的与任务【课程性质】《光催化材料及应用》是材料科学与工程和无机非金属材料等相关专业的重要选修课之一。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Sayama等采用RuO2-WO3为催化剂， Gratzel等报道TiO2表面镀WO3 Fe3+/Fe2+为电子中继体，可见光辐 薄膜：WO3吸收蓝光产生空穴，
H+ Water
reduction
H2
hv
H+/H2
O2/H2O
O2 Water
H2O oxidation
半导体光催化制氢条件
为实现太阳光直接驱动水的劈裂，要求光催化材料具有：
• 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+/H2＋ηc)，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 +ηa)，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Eg～3V，则入射光波长应小于400 nm，只占太阳 光谱很小一部分。
光催化产氢体系
Z-型体系 光催化法
半导体光 催化制氢
悬浮体系 光催化法
光电化学 体系制氢
M.Gratzel, et al, Nature, 1991, 353: 737; Nature,1998, 395: 583; S.U.M. Khan, et al, Science, 2002, 297: 2243; Z.G.Zou, et al., Nature, 2001, 414, 625.
深度捕获 10 ns (不可逆）
ecb- + h + ecb- + TiIVOH·+ hvb+ + TiIIIOH
表面电荷转移：
hv or TiIVOH TiIVOH
ps 100ns—s
10ns
etr- + Ox TiIVOH·+ + Red
TiIVOH + Ox ·TiIVOH + Red ·+
很慢 ms 100ns
应用领域：废水处理、汽车尾气处理、降解空气中的有害 有机物、有机磷农药等
5
常见半导体材料的能带结构
Evs.SHE(pH= )/eV
0
SiC
ZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
3.0 CdS
H+/H2 (E=0 eV)
2.4
O2/H2O (E=1.23eV)
2.0
绝大部分只能吸
收不到5％的太
3.0
阳光(紫外部分)!
6
半导体光催化制氢原理
H2O H2 + 1/2O2 G0 = 238 kJ/mol (E = -Go/nF = -1.23 eV)
V/NHE -1.0
第三章 光催化及材料
光催化的发展
1972 年日本科学家Fujishima和Honda用TiO2薄膜为电极，利用光能 分解水而生成氢气的实验，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。
1976 年，John. H. Carey报道了TiO2光催化氧化法用于污水中PCB 化 合物脱氯去毒。1977年，Yokota发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具 有光催化活性，拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一 条新思路。
Conduction band
e- e- e- e- e-
0.0
+1.0
Band gap
+2.0
+3.0
h+ h+ h+ h+ h+
Valence band
Charge separation/recombination Separation of reduction and oxidation Control of reverse reaction
• Z-型制氢体系
光合作用Z过程由两个不同的原初光反应组成 模拟光合作用中光解水过程，采用不同的催化剂，借助两次光激励过程
分别实现光解水产氢和产氧 以氧化还原中间体实现体系的电荷平衡，使光解水过程得以连续进行
光合作用原理示意图
10
Z-型制氢原理示意图
• Z-型制氢体系的特点
催化剂只需满足光解水反应的一端，可拓宽催化剂的选择 范围
1985年，Mutsunaga等发现在金属卤灯发出的近紫外光照射下， TiO2 - Pt电极具用杀菌效果，这一发现开创了用光催化方法杀菌消毒的先河。
目前，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研究 发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。
2
ห้องสมุดไป่ตู้
光催化的机理
A: 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 C: 电子和空穴体内复合过程 D: 还原过程 E: 氧化过程
氧化还原电对的电位位于H+/H2和O2/H2O之间，光激发所 需能量小，反应相对于直接分解水来说更容易
通过简单的筛网避免两种催化剂的混合，在分离的反应腔 中进行反映，可以解决光解水产物的分离。
在该模拟光合作用的Z-过程中，电子中继体可循环使用。 如I-/IO3-。
不需牺牲试剂，实现利用可见光分解水过程的连续进行
4
半导体的光催化活性主要取决于导带与价带的氧化-还原 电位，价带的氧化-还原电位越正，导带的氧化-还原电位 越负，则光生电子和空穴的氧化及还原能力就越强，从而 使光催化降解有机物的效率大大提高。
常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3、 CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4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，利 太阳光可进行有机物的降解。
TiO2中光生电子、空穴的不同衰减过程的特征弛豫时间
主要过程
特征时间尺度
电子、空穴的产生:
TiO2 + hv
hvb+ + ecb-
fs
载流子被捕获过程：
hvb+ + TiIVOH
ecb- + TiIVOH ecb- + TiIV
电子、空穴的复合:
TiIVOH·+
TiIIIOH TiIII
10ns 轻度捕获 100ps—ms (动力学平衡)
• 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)形成光生电子-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自由基基团（ HO . ） • 电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的自由基基团(.O2-, HO . 等) 3 • 空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2, H2O