光催化剂开题报告课件
光催化原理PPT课件
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第三步
超氧负离子和氢 氧自由基具有很 强的氧化性,能将 绝大多数的有机 物氧化至最终产 物CO2和H2O,甚 至对一些无机物 也能彻底分解。
化学与药学院.
二氧化钛的光催化原理
半导体的光吸收阈值与带隙的关系：
K=1240/Eg(eV)
因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。
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光催化原理
第一步
当光子能量高于半 导体吸收阈值的光 照射半导体时,半导 体的价带电子发生 带间跃迁,即从价带 跃迁到导带,从而产 生光生电子(e-)和 空穴(h+)。
第二步
E=hC/λ 所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。
❖有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳 米光触媒采用锐钛型的原因。
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光催化应用技术
❖ 光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有 的氧化还原能力而净化污染物。
❖ 光催化净化技术的特点：半导体光催化剂化学性质稳
光催化的基本知识
化学与药学院 马永超
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主要内容
光催化剂的定义 光催化起源
光催化材料 光催化的原理 光催化的应用
2
.
催化剂是加速化学反应速率的化学物质， 其本身并不参与反应。
光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的 化学物质的统称。
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光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
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反应体系的相态
普通的二氧化钛一般称为体相半导体，这是与纳米二氧化钛 相区别的。
光催化课件
（2）表面羟基： 催化剂表面羟基与空穴反应生成表面过氧化物，起复合中心的
作用，因此表面羟基越少，催化剂活性越高。若对催化剂进行热处 理，可使表面羟基总量减少。 （3）混晶效应：
锐钛矿与金红石的混晶（非机械混合）具有较高的催化活性。 原因在于：锐钛矿晶体表面生长了薄的金红石结晶层，由于晶体结 构的不同，能有效促进锐钛矿晶体中的光生电子和空穴电荷分离。
1977年，Yokota T 等发现在光照条件下, TiO2对丙烯环氧化具 有光催化活性，从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧 化反应提供了一条新的思路。
近十年来，光催化技术在环保、能源、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。
目前广泛研究的半导体光催化剂，大多数属于宽禁带型半导体化合 物，如CdS、SnO2、TiO2、ZnO、ZnS、PbS、MoO3、SrTiO3、V2O5、 WO3和MoSi2等。其中TiO2、 ZnO、 CdS的催化活性最高，但ZnO、 CdS在光照时不稳定，因为光阳极腐蚀而产生Cd2＋和Zn2＋，这些离子对 对生物有毒性，对环境有害。
3.1 氧化钛的能带结构
半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带（Valence band，VB）和空的高能导带（Conduction band，CB）构成，价带和 导带之间存在禁带。电子填充时，优先从能量低的价带填起。氧化钛 是宽禁带半导体。金红石相禁带宽度3.0eV，锐钛矿相3.2eV。
4、催化剂的寿命。
评价催化剂的3个重要指标： 活性、选择性和稳定性。
TiO2表面性质和结构对反应有重要影响。催化剂表面存 在的晶格缺陷对光催化反应是必要的。
TiO2表面有3种氧缺陷：晶格空位、单桥空位和双桥空位。 TiO2表面能吸附多种无机分子：如CO、SO2、NO、NH3 等。有机分子：如甲烷、甲醇、苯酚、氯代烃等。 表面缺陷越多的TiO2表面越容易吸附气体分子。而结构近 乎完美的TiO2表面，不能吸附SO2、NH3分子。 制成纳米颗粒或薄膜的TiO2，尺寸减少的优势在于对紫外 光的吸收边蓝移，禁带宽度增加，产生更大的氧化还原电位 而向底物的电荷转移和溶剂重组自由能保持不变，这会增加 电荷的转移速率常数，提高量子产率和光催化反应效率。
半导体光催化基础光催化剂课件
半导体能带结构
能带理论
能带理论是描述固体中电 子运动的模型，它把电子 的运动状态分为不同的能 带。
价带和导带
价带是最高填满电子的能 带，导带是最低未被填满 电子的能带。
能隙
能隙是价带顶和导带底之 间的能量差，它决定了半 导体的光学和电学性质。
半导体光催化过程
光催化过程定义
光催化过程是在光的照射下，半导体 材料吸收能量，使得电子从价带跃迁 到导带，从而产生电子-空穴对的过程 。
化学沉淀法
总结词
化学沉淀法制备的光催化剂成本较低，但纯度较低。
详细描述
化学沉淀法是一种常用的光催化剂制备方法，通过向金属盐溶液中加入沉淀剂， 使金属离子形成沉淀物，再经过洗涤、干燥和热处理得到光催化剂。该方法制备 的光催化剂成本较低，但纯度较低，需要进一步提纯。
热解法
总结词
热解法制备的光催化剂具有较高的热稳定性和化学稳定性， 但制备过程需要高温条件。
详细描述
热解法是一种常用的光催化剂制备方法，通过将有机金属盐 或金属醇盐在高温下进行热解反应，得到光催化剂。该方法 制备的光催化剂具有较高的热稳定性和化学稳定性，但制备 过程需要高温条件，且原料成本较高。
其他制备方法
总结词
除了上述方法外，还有多种其他制备光催化剂的方法，如水热法、微波法等。
详细描述
光催化技术的发展历程
总结词
光催化技术的发展经历了基础研究、技术成熟和应用拓展三个阶段。
详细描述
光催化技术的研究始于上世纪70年代，最初主要是对光催化反应机理的基础研究。随着技术的不断发 展，进入90年代后，光催化技术逐渐走向成熟，并开始应用于实际生产中。目前，随着科研的深入和 技术进步，光催化技术的应用领域不断拓展，成为一种备受关注的环境友好型技术。
TiO2纳米光催化剂的制备及其性能表征的开题报告
TiO2纳米光催化剂的制备及其性能表征的开题报告一、选题背景随着城市化进程的加速和人类生活水平的提高，环境污染问题日益突出。
其中，空气污染是一个长期困扰人们的问题，尤其是细颗粒物（PM2.5）造成的健康危害愈加明显。
因此研究高效、环保、低成本的空气净化技术成为当今重要的研究方向之一。
纳米光催化技术是目前较为先进的空气净化技术之一。
其中，钛白粉（TiO2）作为一种重要的光催化材料，具有价格低廉、化学稳定、无毒无害等优点，成为纳米光催化材料的重要代表之一。
但是，传统的TiO2微晶体材料的光催化性能较差，主要是由于低光捕获效率和表面缺陷导致的。
针对上述问题，纳米光催化技术被发展出来。
通过将TiO2微晶体控制在纳米尺度下制备出TiO2纳米光催化剂，其具有相对于TiO2微晶体材料更高的比表面积、更强的吸附能力和更快的光反应速率。
因此，纳米光催化技术可以利用光氧化和光还原反应来分解和转化有毒有害气体和溶解性污染物，从而实现空气净化的目的。
二、研究目的和意义本课题主要目的是制备TiO2纳米光催化剂，并对其光催化性能进行表征，为进一步研究空气净化提供一种新的思路和方法。
具体研究内容包括：1.以不同合成方法制备TiO2纳米光催化剂。
2.通过透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等手段对制备的TiO2纳米光催化剂进行形貌、结构、晶相等的表征。
3.利用偏光显微镜（PLM）、X光光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）等手段对制备的TiO2纳米光催化剂的光催化性能进行评价和表征。
通过研究TiO2纳米光催化剂制备和性能表征，将有助于探索新型高效空气净化技术，为环境保护和人类健康作出更多的贡献。
三、研究内容和方法3.1 研究内容（1）合成TiO2纳米光催化剂的不同方法的比较研究（2）对制备的TiO2纳米光催化剂进行形貌、结构、晶相等的表征（3）对制备的TiO2纳米光催化剂的光催化性能进行评价和表征3.2 研究方法（1）制备TiO2纳米光催化剂同时采用水热法、气相法和氧化钛溶胶凝胶法等不同方法制备TiO2纳米光催化剂，根据不同制备条件比较不同方法的差异。
TiO2光催化剂的掺杂改性及应用的开题报告
TiO2光催化剂的掺杂改性及应用的开题报告一、选题背景随着人口的增加和工业的发展，环境污染问题日益突出，给人类生存和发展带来了巨大的威胁。
其中，空气和水资源的污染是最受关注的问题之一。
相应的污染治理和控制技术也越来越成熟，光催化技术就是其中一种有效的方案。
光催化技术是一种在光线的作用下，利用光催化剂催化氧化或还原反应，将有害气体或有机物转化为无害的物质的方法。
TiO2光催化剂是其中最为常见的一种光催化剂，具有价格低廉、化学稳定性好、毒性小、可再生等特点。
但是，TiO2光催化剂在日常实际应用中，其光催化活性相对较低，其主要原因是TiO2本身存在光生载流子复合的问题。
因此，需要对TiO2光催化剂进行掺杂改性，提高其光催化活性。
目前，已经有许多学者对TiO2光催化剂进行了各种掺杂改性，包括金属离子掺杂、非金属元素掺杂、复合掺杂等。
这些掺杂改性可以从不同的角度提高TiO2光催化剂的光催化活性，并广泛应用于治理空气和水污染等领域。
因此，本文将探讨TiO2光催化剂的掺杂改性及其在环境污染治理中的应用。
二、研究内容1. 综述TiO2光催化剂的基本原理及其性能2. 分析TiO2光催化剂存在的问题及其改进措施3. 探讨TiO2光催化剂的掺杂改性方法及其优缺点4. 分析TiO2光催化剂掺杂改性的机理5. 比较不同掺杂改性对TiO2光催化剂的影响6. 探讨TiO2光催化剂在环境污染治理中的应用三、研究意义本研究将为探索TiO2光催化剂掺杂改性的方法，提高其光催化活性提供理论指导和实践经验。
同时，本研究对利用TiO2光催化剂治理环境污染有着重要的现实意义，在提高环境质量和促进可持续发展方面具有重要的意义。
四、研究方法本研究将从文献综述、实验研究等多方面进行探讨。
首先，根据已有文献搜集和分析TiO2光催化剂的基本原理及其性能，探讨其在环境污染治理中的应用。
其次，对TiO2光催化剂存在的问题进行剖析，并针对性地提出优化改进措施。
TiO2系纳米光催化剂的制备及其表征的开题报告
TiO2系纳米光催化剂的制备及其表征的开题报告一、研究背景纳米材料技术的迅速发展，为环境治理和资源利用提供了新的手段和技术。
光催化技术是利用光生电荷在催化剂表面发生氧化还原反应的过程，实现有害物质降解和资源回收的环境治理技术。
纳米光催化剂作为一种新型的催化剂材料，因其比传统催化剂具有更大的表面积和更高的催化活性，广泛应用于环境污染治理、新能源开发等领域。
TiO2是一种常用的光催化剂材料，具有良好的光稳定性、生物相容性，不易受到水和氧的影响等优良性质，因此被广泛应用于光催化降解有机污染物、水处理、空气净化等方面。
然而，由于TiO2的带隙能较大，仅能吸收紫外光，光子利用效率不高，对于一些有机物的降解效率较低，故需要制备能吸收可见光的TiO2系纳米光催化剂。
二、研究内容本研究将采用溶胶-凝胶法制备TiO2系纳米光催化剂，并通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和比表面积等表征手段对其进行表征。
具体包括以下研究内容：1.优化溶胶-凝胶法制备TiO2系纳米光催化剂的工艺参数，确定最佳工艺条件。
2.采用FESEM和TEM等手段对所制备的TiO2系纳米光催化剂的形貌、尺寸和球形度进行表征；通过XRD分析其晶体结构；通过UV-Vis DRS测试其光学吸收性能，探讨制备的TiO2系纳米光催化剂是否具有吸收可见光的能力；通过比表面积测试手段测试其比表面积，判断是否具有较高的催化活性。
三、研究意义本研究将在溶胶-凝胶法制备TiO2系纳米光催化剂方面进行深入探讨和研究，对于提高TiO2系纳米光催化剂的催化效率和光子利用率具有重要的实际应用价值，可用于空气净化、废水处理等领域的环境治理中，具有很强的工程应用前景。
光催化降解有机物制氢的开题报告
光催化降解有机物制氢的开题报告一、研究背景随着工业化进程的不断加快和人口的快速增长，大量有机污染物的排放已经成为了环境保护的一大难题。
有机污染物的过度排放不仅会对生态环境造成破坏，也对人类的健康造成威胁。
因此，如何有效地治理有机污染物成为当前环境保护的重要议题。
光催化技术自问世以来，有着广泛的研究和应用前景。
通过光催化反应，有机污染物可以被光催化剂降解成水和二氧化碳，从而实现有机污染物的治理。
而利用光催化还可以将光能转化为化学能，生成氢气，这种光催化制氢的方法成为了一种可持续的绿色能源。
二、研究意义采用光催化技术制氢区别于传统的氢气制备工艺，其主要优点在于具有较高的选择性、高效率及环境友好等特点。
因此，光催化制氢被越来越多的科研工作者所青睐。
与传统的电解法等制备氢气方法相比，光催化制氢具有以下优点：1、采用非贵金属光催化剂；2、合成气可以直接用于燃料电池的应用；3、具有极高的光催化效率。
因此，光催化制氢的研究将对节约能源、减少环境污染、推进可持续发展等方面产生重要的学术和应用价值。
三、研究内容本次研究的主要内容是基于光催化技术制备氢气。
具体研究方案如下：1、筛选适合的光催化剂，如TiO2、WO3等。
2、考虑反应条件对产氢量的影响：光照强度、气体组成、反应时间等因素。
3、考虑制备出来的氢气的纯度和产量，寻找提高产氢量的方法。
4、采用各种表征手段研究所制备出来的光催化剂。
5、评价光催化产氢的从环境保护和经济性等方面的优势。
四、研究方法本次研究采用以下方法：1、制备光催化剂通过溶胶-凝胶法或水热法等方法制备出光催化剂。
为了提高光催化剂的光催化性能，可以采用掺杂、负载等改性措施。
2、光催化反应在此实验中，选择适量的光催化剂和适量的无机盐为前驱体，将它们与目标物质一起混合后，置于光照体系进行固气相光催化反应。
反应结束后，根据反应产物的特点，利用合适的检测方法检测产物中氢气的含量。
3、表征手段采用一系列表征手段，如场发射扫描电镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、紫外-可见光谱（UV-vis）等对制备的催化剂进行表征，这有助于研究光催化剂的表面结构、晶体形貌和光化学性质等。
光催化剂的研究与展望ppt
提高TiO2光催化活性的途径
目前的TiO2光催化剂存在两个问题：
①效率低
解决方法：
②只能吸收紫外光
金属离子掺杂修饰 非金属离子掺杂 半导体复合 染料光敏化
离子掺杂
过渡金属离子
V、Ni、Rh、Cd、Cu、Fe、Co 等
TiO2的结构与性质
P25是70:30％锐钛矿-金红石混合物
TiO6
Ti O
金红石型
锐钛矿型
具有锐钛矿，金红石及板钛矿三种晶体结构，只 有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性
TiO2催化基理及当前研究现状
导 导 导 带 禁 价 带 价 带 禁 带 带 带 带
总结
TiO2光催化剂的可见光化研究, 将为人类充分利用太阳能, 改 善人类生活环境迈出重要的一步。经过世界各国科学家的共同努 力, TiO2可见光化研究虽然已经取得了一定的进展, 对TiO2的各种 改性方法或多或少都提高了太阳能的利用率。 但从目前的研究成果看,可见光催化或能量转换效率还普遍偏 低, 对各种改性方法的光催化机理存在争议,并且由于光催化反应 体系的复杂性，动力学研究存在许多困难，实际应用过程中载体 性质与负载方法对光催化剂活性的影响等问题仍需进一步深入探 讨。 因此可见光TiO2光催化剂的研制仍将是今后的研究热点。
稀土金属离子
贵金属离子
La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd、Sm 等
Au、Ag、Pt、Ru 等 N、C、S及卤素
无机离子以及其它离子
掺杂某些金属元素后，会在TiO2禁带中形成新能级，使吸收光 谱向可见光方向移动。
金属离子可捕获导带中的电子，抑制电子和空穴的复合，但是
掺杂浓度过高，金属离子可能成为电子空穴复合中心。两者综合 作用的结果就形成一个波峰，金属离子的掺杂浓度对TiO2光催化
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1.TiO2的结构
• 通常TiO2有三种晶型：锐钛矿、金红石和板钛矿。通常认为锐 钛矿是活性最高的一种晶型，其次是金红石型，而板钛矿和无 定型TiO2没有明显的光催化活性
• 研究表明，由锐钛矿 和金红石以适当比 例组成的混晶通常 比由单一晶体的活
性高。 TiO2的禁带宽度较大， 光催化活性最好的锐钛矿型 的Eg为3.2至3.5eV,仅在波长 小于387nm的紫外光照射下有 光催化活性。
（1）非金属离子的掺杂
目前研究较多的非金属掺杂离子主要有 Cl、N、F、和S、P等。研究 表明，这些非金属离子取代O离子进入TiO2晶格提高光催化剂的价带电 位，并降低其导带电位，使其禁带宽度变窄，从而提高可见光催化活性。
（2）金属离子的掺杂
目前研究较多的金属掺杂离子主要有 Fe、Co、Ni、Cu和W等过渡金 属离子和Ce、Nd、La等稀土金属离子。研究表明，金属离子掺杂主要 是点通位过，嵌从入而减晶少格了间T隙iO或2表是面取光代生钛电原子子与，空在穴TiO的2复晶合格，中使增T加iO电2表子面空产穴生捕了获 更多的·OH和O2-，提高了催化剂的光催化活 （3）共掺杂
1.TiO2的结构 2.TiO2光催化反应机理 3.TiO2光催化反应的影响因素 4.提高TiO2光催化效率的途径 5.纳米TiO2粉体制备方法 6.TiO2光催化剂的应用 7.磁性载体的制备
何谓光催化？
• 半导体纳米材料在光的照射下，通过把光能转化为化学能， 促进化合物的合成或使化合物（有机物、无机物）降解的过 程称为光催化。
具体来说:
2.TiO2光催化反应机理
在光照下，如果光子的能量大于半导体禁带 宽度，其价带上的电子（e-）就会被激发到 导带上，同时在价带上产生空穴（h+）。激 发态的导带电子和价带空穴又能重新合并， 并产生热能或其他形式散发掉。当催化剂存 在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时， 电子和空穴的复合得到抑制，就会在催化剂 表面发生氧化—还原反应。价带空穴是良好 的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半 导体光催化反应中，一般与表面吸附的H2O， O2 反 应 生 成 氧 化 性 很 活 泼 的 羟 基 自 由 基 （•OH）和超氧离子自由基（•O2-）。能够 把各种有机物氧化直接氧化成CO2、H2O等小 分子，而且因为他们的氧化能力强，使一般 的氧化反应一般不停留在中间步骤，不产生 中间产物。
5.纳米TiO2粉体制备方法
•
气相反应法•Fra bibliotek溶胶-凝胶法
•
化学沉淀法
•
微乳液法
•
水解法
•
水热反应法
• 溶胶-凝胶法
该法利用了所形成凝 胶的优良分散功能及凝 胶最终的热处理过程, 所得产物的颗粒均匀性 、分散性良好,并可有 目的地控制产物的粒径 。在溶胶凝胶法中,有 机钛盐(或称钛酸酯) 通常作为起始原料去合 成目标产物。
• 纳米TiO2光催化剂被光辐射激发产生的电子－空穴对虽然具 有很高的氧化能力，但其在实际应用中也存在一些缺陷：
• 光生载流子(h+，e-)很易重新复合，例如在TiO2表面上光生电 子和空穴的复合是在小于10-9s的时间内完成，影响了光催化 的效率。
• 因此制备高活性光催化剂的突出问题是提高光催化剂中光生 电子-空穴的分离效率，抑制电子空穴的重新结合。
6.TiO2光催化剂的应用
• 由于TiO2具有强氧化作用，能够氧化各种有机物污染物，尤 其是芳烃和芳香类有机物能够被其降解为小分子，直至变成 CO2和H2O，并且这种光催化氧化反应在常温常压下进行，对 生物法难以降解的有毒有机物，均有良好的处理效果。
TiO2光催化剂的应用范围
7.磁性载体的制备
（3） TiO2表面特性的影响 TiO2表面积大则吸附量大，活性就高。另外，表面的粗糙程 度、表面的结晶度、表面的羟基等也影响着表面的吸附和电 子空穴的复合，进而影响催化剂的活性。
（4） pH值的影响
反应体系的pH值对TiO2的表面态、界面电位和表面电荷以聚 集性具有明显的影响。
4. 提高TiO2光催化效率的途径
随着离子掺杂改性研究的不断深入，越来越多的人将两种或两种以上 的金属或是非金属共掺杂进行研究，如非金属和非金属（B/N 、C/N）、 金属和非金属（Fe/N、Ce/N）、金属和金属（Ce/Co、Pt/Cr）
（4）半导体复合
通过半导体复合可提高系统的电荷分离效果，扩展光谱响应的范围。 其修饰方法包括简单的组合、掺杂、多层结构和异相组合等。研究较多 的：CdS、SiO2、SnO2等。
由于负载的光催化材料比表面积小，光催化材料易于从载体 上脱落使光催化效率降低，因此，磁性纳米 TiO2 包覆材料逐渐 受到人们的关注。磁性纳米 TiO2 是一类对外加磁场具有良好的 磁响应性能的光催化纳米材料，它可以通过设置一个外加磁场 实现催化剂的回收，进而完成再生、利用，为节约能源，降低 成本提供保证。磁性纳米 TiO2 的优点在于：一方面，它保留了 传统粉末状 TiO2 的高比表面积和高的光利用效率；另一方面， 解决了粉末状 TiO2 回收困难的缺点，因此在众多领域具有广阔 的应用前景。磁性纳米 TiO2 光催化材料可以通过施加外加磁场 完成催化剂和污水的分离。 在磁性 TiO2 光催化材料的磁性核心 选择上，目前已有不少研究者进行了研究，其中主要以 γF为e载2O体3 、，F通e过3O二4 、组C分o或Fe多2O组4 分、包Ni覆Fe2TOiO42、实M现nF在e2不O影4 等响磁其性光介催质化 效率的同时完成磁性回收的过程。
(1)共沉淀法
按物质的量之比为Co2+: Fe3+=1: 2,称取 一定量的硝酸钴和三氯化铁,溶于100ml 去离子水中,在电动机械搅拌同时水浴 升温至62℃;然后加入NaOH溶液调节pH 至11-13;继续机械搜拌并超声分散,加 热升温至72℃,恒温反应1h,磁力沉降, 水洗3次,得到铁酸钴纳米磁性粒子。
光 催 化 机 理 图
3. TiO2光催化反应的影响因素
（1）TiO2晶型的影响 TiO2有三种晶型：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。其中具 有光催化活性的主要是锐钛矿型和金红石型，一般认为锐钛 矿型活性较高。
（2） TiO2晶粒尺寸的影响 对于纳米半导体粒子而言，粒径越小，电子从体内扩散到表 面的时间越短，电子与空穴复合的几率越小，电荷分离效果 越好，从而导致催化活性的提高。