环境功能材料-6-光触媒(光催化剂)(借鉴材料)
光触媒工艺技术
光触媒工艺技术光触媒工艺技术是一种新兴的环境保护技术，通过光催化剂的使用，可以有效地降解有害物质，净化空气和水质。
光触媒工艺技术是目前环境领域中比较前沿的技术之一。
光触媒工艺技术的原理是利用光催化剂的能力，通过光催化反应将有害物质分解为无害的物质。
光催化剂是一种具有高能量的电子，当光照射在光催化剂表面时，电子会被激发并具有较高的活性。
然后，这些活性的电子会与氧气分子结合，形成一种氧离子自由基。
这种氧离子自由基可以与有害物质发生反应，将其分解为无害的物质。
此外，光触媒工艺技术还可以通过光催化剂的作用，降低有机物的生物毒性和腐臭性。
光触媒工艺技术广泛应用于室内和户外环境的净化中。
在室内环境中，光触媒可以通过灯具或涂料的形式应用于墙壁、地板、家具等表面，对空气中的微生物、有机化合物和异味物质进行分解和去除。
光触媒还可以应用于空调系统、洗衣机等家电设备中，有效净化空气和除菌消毒。
在户外环境中，光触媒可以应用于建筑物的外墙、屋顶等表面，通过自然光的照射，对大气中的有害气体、颗粒物和异味物质进行降解和去除。
光触媒工艺技术有多种优势。
首先，光触媒工艺技术具有高效性能和长效性能。
因为光催化剂是通过光照来激活的，只需较低的能量即可发生催化反应，因此具有很高的催化效率。
并且，由于光催化剂具有较高的稳定性，所以可以长时间地进行净化作用，不会因为光催化剂的失活而影响反应效果。
其次，光触媒工艺技术无需添加化学品，对环境和人体无害。
光催化剂是一种天然无毒的材料，不会产生有害的副产物，不会对环境造成污染。
同时，光催化剂也不会对人体健康产生任何负面影响。
再次，光触媒工艺技术具有广泛的适用性。
光触媒可以应用于各种不同的材料表面，并且对多种有害物质具有降解能力，可以对空气和水质进行同时净化。
然而，光触媒工艺技术也存在一些挑战和限制。
首先，光触媒的催化效果会受到光照条件的影响。
如果光照强度不足或光照时间不够长，催化反应的效率将会降低。
除甲醛——光触媒原理及应用
光触媒——原理及应用1、光触媒概念1972年，日本东京大学的本多建一教授和博士班学生藤岛昭发现，用光照射二氧化钛电极可进行水的电解反应。
这就是著名的“本多藤岛效应”。
经过了30多年的研究，光触媒的技术研究终于取得了突破性的进展，光触媒技术开始达到工业生产的要求。
目前，二氧化钛已经可以在工业条件下制成粉末、溶液、凝胶体、涂料等各种形态的材料了。
光触媒[Photocatalyst]是光[Photo=Light]+触媒（催化剂）[catalyst]的合成词。
光触媒是一种以纳米级二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称。
2、光触媒的工作原理光触媒在光的作用下，会产生类似光合作用的光催化反应，产生出分解能力极强的氢氧自由基和负氧离子，具有极强的分解还原功能，不仅能将甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等有毒有害气体、污染物、臭气、等氧化分解成无害的CO2和H2O，还能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，可杀死细菌和分解有机污染物，因此，对各种常见的致病菌都有很好的抑制和杀灭作用。
一般抗菌剂只有杀菌作用, 但不能分解毒素，光触媒则可以将细菌遗体及体内残留毒素完全分解，达到彻底消毒杀菌的目的。
经科学实验证明,光触媒对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌、沙门氏菌、芽杆菌和曲霉等具有很强的杀灭能力。
从而净化空气中有毒有害气体，有效控制细菌、病毒的交叉感染及抑制细菌繁殖。
光触媒作用过程中本身不发生变化和损耗只提供一个反应场所，具有时间持久、持续作用、性质稳定、安全无毒的优点，不产生二次污染，是国际公认的绿色环保无污染的产品。
3、光触媒主要功能特点(1)全面性：光触媒可以有效地分解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物，并具有高效广谱的消毒性能，能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。
(2)持续性：在反应过程中，光触媒本身不会发生变化和损耗，在光的照射下可以持续不断的净化污染物，具有时间持久、持续作用的优点。
光催化剂——精选推荐
光催化剂光催化剂概述第⼀篇通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思，光触媒顾名思义就是光催化剂。
催化剂是加速化学反应的化学物质，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。
光催化技术是在20世纪70年代诞⽣的基础纳⽶技术，在中国⼤陆我们会⽤光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。
典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作⽤中促进空⽓中的⼆氧化碳和⽔合成为氧⽓和碳⽔化合物。
总的来说纳⽶光触媒技术是⼀种纳⽶仿⽣技术，⽤于环境净化，⾃清洁材料，先进新能源，癌症医疗，⾼效率抗菌等多个前沿领域。
世界上能作为光触媒的材料众多，包括⼆氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、⼆氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中⼆氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能⼒强，化学性质稳定⽆毒，成为世界上最当红的纳⽶光触媒材料。
在早期，也曾经较多使⽤硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料，但是由于这两者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发⽣光溶解，溶出有害的⾦属离⼦具有⼀定的⽣物毒性，故发达国家⽬前已经很少将它们⽤作为民⽤光催化材料，部分⼯业光催化领域还在使⽤。
⼆氧化钛是⼀种半导体，分别具有锐钛矿(Anatase)，⾦红⽯(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构，其中只有锐钛矿结构和⾦红⽯结构具有光催化特性。
⼆氧化钛是氧化物半导体的⼀种，是世界上产量⾮常⼤的⼀种基础化⼯原料，普通的⼆氧化钛⼀般称为体相半导体以与纳⽶⼆氧化钛相区分。
具有Anatase或者Rutile结构的⼆氧化钛在具有⼀定能量的光⼦激发下[光⼦激发原理参考光触媒反应原理]能使分⼦轨道中的电⼦离开价带(Valence band)跃迁⾄导带(conduction band)。
从⽽在材料价带形成光⽣空⽳[Hole+]，在导带形成光⽣电⼦[e-],在体相⼆氧化钛中由于⼆氧化钛颗粒很⼤，光⽣电⼦在到达导带开始向颗粒表⾯活动的过程中很容易与光⽣空⽳复合，从⽽从宏观上我们⽆法观察到光⼦激发的效果。
环境功能材料-6-光触媒(光催化剂)
• 价带空穴具有良好的氧化性，能与纳米 TiO2表面吸附的H2O 或OH -反应， 生成具 有羟基自由基。
自由基反应
• ·O2-和·OH具有很强的化学活性，是参与 有机污染物光催化降解过程的基本单元。
TiO2表面结构的影响
光催化过程主要在催化剂表面发生，对于单纯的TiO2光催化 剂，影响其光催化剂，影响其光催化活性的表面性质如下：
后期在环境领域的发展
• 1992，第一次二氧化钛光触媒国际研讨会， • 日本发表了光触媒的新观念，并提出 应用
于氮氧化物净化的研究成果。 • 以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空
气净 化等领域的相关研究急剧增加。
光催化原理
能带理论
• 能带：在形成分子时，原子轨道构成具有 分立能级的分子轨道。晶体中原子轨道所 构成的分子轨道的数量非常之大，以至于 可以将所形成的分子轨道的能级看成是准 连续的，即形成了能带。
4
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各种常用半导体的禁带宽度和禁带边缘电位示意图（pH = 0）
➢TiO2的结构与性质 TiO2晶型结构示意图(锐钛矿型)
• 纳米 TiO2是一种半导体光催化材料，TiO2 的电子结构特点为一个满的价带和一个空 的导带。当受到能量大于带隙能的光照射 时，价带上的电子被激发，跃过禁带， 同 时在价带上产生与电子e-相对应的空穴h+ ，即自由电子--空穴对。
• 例子：H2O
H2+O2
光催化过程的发现
• 1967年，藤岛昭，东京大学研究生 • 试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光
线照射，结果 发现水被分解成了氧和氢。 • 石油危机，寻找新能源， • 这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受
到了瞩目，制氢效率很低，无法作为新能源 方案进行实际利用，因此在轰动一时后迅速 降温。
光触媒定义及作用原理
光触媒定义及作用原理(1)光触媒定义：光触媒是一种纳米级二氧化钛活性材料，它涂布于基材表面，干燥后形成薄膜，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，抗菌率高达99.99％，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。
(2)光触媒作用原理：光触媒在特定波长（388nm）的光照射下，会产生类似植物中叶绿素光合作用的能量转化过程，把光能转化为化学能而赋予光触媒表面很强的氧化能力，可氧化分解各种有机化合物和矿化部分无机物，并具有抗菌的作用。
在光照射下，光触媒能吸收相当于带隙能量以下的光能，使其表面发生激励而产生电子(e-)和空穴(h+)。
这些电子和空穴具有很强的还原和氧化能力，能与水或容存的氧反应，产生氢氧根自由基（•OH）和超级阴氧离子（•O ）。
如表1所示，这些空穴和氢氧根自由基的氧化能大于120kcal/mol，具有很强的氧化能力，几乎能将所有构成有机物分子的化学键切断分解。
因此可以将各种有害化学物质、恶臭物质分解或无害化处理，达到净化空气、抗污除臭的作用。
(1)全面性：光触媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物，并具有高效广谱的消毒性能，能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。
(2)持续性：在反应过程中，光触媒本身不会发生变化和损耗，在光的照射下可以持续不断的净化污染物，具有时间持久、持续作用的优点。
(3)安全性：无毒、无害，对人体安全可靠；最终的反应产物为二氧化碳、水和其他无害物质，不会产生二次污染。
(4)高效性：光触媒利用取之不尽的太阳能等光能就能将扩散了的环境污染物在低浓度状态下清除净化。
光触媒是一种以纳米级（锐钛型）二氧化钛为主体的、具有光催化功能的半导体活性材料的总称，是当前世界上空气净化及污水处理最为理想的材料之一。
光触媒在某种特定情况下，通过一定能级光的照射后，产生氧化能力极强的氢氧自由基，有效地降解空气中有毒有害物质及杀灭多种微生物。
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【最新整理，下载后即可编辑】光触媒定义及作用原理(1)光触媒定义：光触媒是一种纳米级二氧化钛活性材料，它涂布于基材表面，干燥后形成薄膜，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，抗菌率高达99.99%，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。
(2)光触媒作用原理：光触媒在特定波长（388nm）的光照射下，会产生类似植物中叶绿素光合作用的一系列能量转化过程，把光能转化为化学能而赋予光触媒表面很强的氧化能力，可氧化分解各种有机化合物和矿化部分无机物，并具有抗菌的作用。
在光照射下，光触媒能吸收相当于带隙能量以下的光能，使其表面发生激励而产生电子(e-)和空穴(h+)。
这些电子和空穴具有很强的还原和氧化能力，能与水或容存的氧反应，产生氢氧根自由基（·OH）和超级阴氧离子（·O ）。
如表1所示，这些空穴和氢氧根自由基的氧化能大于120kcal/mol，具有很强的氧化能力，几乎能将所有构成有机物分子的化学键切断分解。
因此可以将各种有害化学物质、恶臭物质分解或无害化处理，达到净化空气、抗污除臭的作用。
(1)全面性：光触媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物，并具有高效广谱的消毒性能，能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。
(2)持续性：在反应过程中，光触媒本身不会发生变化和损耗，在光的照射下可以持续不断的净化污染物，具有时间持久、持续作用的优点。
(3)安全性：无毒、无害，对人体安全可靠；最终的反应产物为二氧化碳、水和其他无害物质，不会产生二次污染。
(4)高效性：光触媒利用取之不尽的太阳能等光能就能将扩散了的环境污染物在低浓度状态下清除净化。
1原理编辑一、保持合适的室内温度，避免室内外温差过大。
按照国家标准室温控制在16—24摄氏度为宜；二、在室内种植一些花草，除有欣赏价值外，还可增加室内氧气，保持室内湿度及净化空气。
光触媒技术和光触媒分类
光触媒是一种以纳米二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称，是当前国际上治理室内环境污染和增加负氧离子浓度的最理想材料。
纳米二氧化钛吸收光能后会释放电子。
空气中的水分子捕获电子形成氢氧自由基（-HO），氧分子捕获电子形成负氧离子（O2-）。
氢氧自由基与负氧离子具有强大的氧化分解能力，能将空气中的有机化合物氧化分解成无害的二氧化碳和水，并能氧化分解病菌的细胞膜与蛋白质。
二、产品功能：1、净化空气功能：能降解与消除空气中所有的有机污染物及部分无机物。
2、杀菌功能：能杀死大肠杆菌、黄色葡萄球菌等细菌，同时还能分解细菌死体上释放的有害复合物。
3、自洁功能：纳米二氧化钛具有超亲水性，能防止油烟、汽车尾气等吸附。
4、净水功能：能降解水中的有机有害物质，从而净化水质。
5、增加负氧离子浓度的功能：纳米二氧化钛在光照下会产生负氧离子，如同雷雨会增加森林中的负氧离子浓度，从而令空气更清新。
优质光触媒应为：通过特殊的制备方法完成纳米级二氧化钛在水中的分散，胶体、粒径小（15纳米以下）、颗粒均匀、无分散剂、无黏结剂、不含重金属、浓度适中、黏度适中、附着力好、褪色性能好、分散均匀、状态稳定、无分层、无味、喷涂后无色、中性，适合各类表面。
技术内容优质光触媒发源地，在近几年的研发中，核心产品纳米（TiO2）光催化材料：“光触媒水溶液”在以下几方面研究取得了重大突破，达到、超过国际水平：1.纳米粒径技术：光催化材料（TiO2）的粒径控制在5纳米左右。
除实验室外，目前国际上在规模化生产中能达到10纳米以下的还很少。
2. 分散技术：无需添加分散剂就能使光触媒分散均匀、状态稳定，长时间放置不分层。
分散技术是光触媒的专利技术之一。
纳米二氧化钛粒子容易团聚，如果分散技术不好，将会形成较大个体的二氧化钛颗粒，这与光触媒技术要求的纳米技术（大比表面积）相违背，处理能力急剧下降。
3. 粘合技术：不需添加任何黏结剂，便可使其附着力达到最高级黏度0级。
光触媒主要功能和特点
光触媒主要功能和特点光触媒是一种通过光催化作用来实现空气净化、除臭和杀菌的技术。
它利用紫外线催化剂来分解空气中的有机污染物和气体，以及抑制微生物的生长。
光触媒的主要功能和特点可以总结如下：2.除臭：光触媒可以有效地去除异味和臭味，包括各种污染源产生的气味，如厨房油烟、垃圾桶、化学品等。
光触媒分解异味分子，使其转化为无害物质，从而实现气味的消除。
3.杀菌：光触媒具有优秀的抗菌能力，可有效杀灭悬浮在空气中的细菌、病毒和真菌。
光触媒不仅可以杀灭空气中的微生物，还可以阻止它们的再次生长和传播，从而提供一个更安全和健康的生活环境。
4.持久性：光触媒的催化效果是持久的，不会因为时间的流逝而减弱。
光触媒不需要人工维护，只要有光照，就能保持催化活性。
这一特点使得光触媒成为一种持久有效的空气净化技术。
5.安全环保：光触媒不需要使用任何化学物质或添加剂，不会产生二次污染。
与传统空气净化设备相比，光触媒无需更换滤网或过滤材料，避免了对环境的负面影响。
同时，光触媒对人体无害，不会产生任何有毒物质。
6.适用范围广：光触媒可以应用于各种室内和室外空间，如家庭、办公室、学校、医院、公共场所等。
它可以通过装置在空调系统、空气净化器、喷洒设备等不同的设备中来实现空气净化。
7.除尘功效：除了去除有害气体和除臭功能，光触媒还能够吸附和分解悬浮在空气中的尘埃和颗粒物，净化空气中的微小颗粒，提高空气质量。
总的来说，光触媒的主要功能是空气净化、除臭和杀菌。
它通过催化作用将空气中的有机污染物分解为无害的物质，同时抑制微生物的繁殖和传播，提供一个清洁、安全、健康的生活环境。
光触媒具有持久性、安全环保、适用范围广等特点，适合应用于各种场所，帮助人们呼吸更清新的空气。
光触媒简介
光触媒的简介光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料（二氧化钛比较常用），它涂布于基材表面，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。
作用原理：光触媒在光的照射下，会产生类似光合作用的光催化反应，产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧，具有很强的光氧化还原功能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，可杀灭细菌和分解有机污染物，把有机污染物分解成无污染的水（H2O）和二氧化碳（CO2），因而具有极强的杀菌、除臭、防霉、防污自洁、净化空气功能。
光触媒的特性为利用空气中的氧分子及水分子将所接触的有机物转换为二氧化碳跟水，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，理论上有效期非常长久，维护费用低。
同时，二氧化钛本身无毒无害，已广泛用于食品、医药、化妆品等各种领域。
具体作用：光触媒作为一种新兴的空气净化产品，主要有以下功能：除菌：光触媒加工的表面，通过催化反应，将细菌的尸体分解得一干二净。
所以从严格意义上说光触媒不是杀菌，而应该叫除菌。
由于光触媒的强氧化分解能力，能分解大多数对人体有害的细菌：白色念珠菌、黑曲霉菌、大肠埃希氏菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌等多种细菌具有很强的除菌功效，不会产生抗药性，抗菌率大于99.99%。
除臭：比臭氧（O3）有着更强的氧化能力，可强力分解臭源。
脱臭能力相当于500个活性碳冰箱除臭剂，比活性碳有更强的吸附力，且具有活性碳所没有的分解细菌功能。
对香烟臭、汗臭、垃圾臭、动物臭等具有除臭功效。
自洁：根据除菌的原理，导致污垢的物质也会被分解，又因为它的超亲水性，而看不到水滴的附着。
在户外，通过雨水经常得到冲洗而保持清洁状态。
当灰尘落于经过光触媒处理过的物体表面上，只需以清水清洗，因为光触媒的超亲水特性与地心引力配合，将让污垢不易附着，因此建筑体外观施工后也能常保洁净。
光触媒功能
光触媒定义：光触媒是一种分子级的金属氧化物材料（二氧化钛比较常用），它涂布于基材表面，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。
特点：(1)全面性：光触媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物，并具有高效广谱的消毒性能，能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理(2)持续性：在反应过程中，光触媒本身不会发生变化和损耗，在光的照射下可以持续不断的净化污染物，具有时间持久(3)安全性：无毒.无害.对人体安全可靠；最终的反应产物为二氧化碳，水和其他无害物质，不会产生二次污染。
、持续作用的优点。
(4)高效性：光触媒利用取之不尽的太阳能等光能就能将扩散了的环境污染物在低浓度状态下清除净化自清洁纺织品的起源在1951年英国拍摄的经典电影《穿白衣的男人》中，亚历克．吉尼斯先生扮演了一位科学家，他发明了一种永不会脏污的衣服，这种衣服也永远不会穿破，但是当他试图想将新发明付诸于商业化生产时，却遭到了成衣制造商们的强烈反对，因为这项发明会使整个纺织行业陷入绝境。
然而在半个世纪后的今天，《穿白衣的男人》电影中的科技幻想将通过纳米技术变成为现实。
香港理工大学纳米研究中心采用低温溶胶??凝胶方法研制出了锐钛矿型的纳米二氧化钛，对织物进行处理后，在织物表面覆盖了一层保护膜(膜厚约为50-80微米)，使织物具有了自清洁的功能,此外，还赋予织物以优异的耐紫外线辐射、抗菌、除味及分解有害气体的能力。
使织物具有上述特殊功能的原理在于纳米二氧化钛所独有的光催化功能，经过处理后的织物在紫外光的照射下产生光催化作用，通过一系列的化学反应不断的将沾在衣服上的脏物以及含有有机成分的有害气体分解并排除掉,毫无疑问，作为一种产业化的产品，具有自清洁功能的纺织品市场前景非常看好。
自然界中一个非常有趣的现象是“荷花效应”，它是由两名德国植物学家首先发现的，自然界中很多植物都有着荷花的自清洁效应，因此，引起了科学家门的广泛注意而进行了大量研究，发现植物的这种自清洁效应归属于植物微形态学乳头突出及化学封蜡覆盖在叶的表面所产生，可以通过对纺织品进行功能性整理来模拟“荷花效应”。
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➢半导体价带的光激发
空气和溶液 中通常是氧
固体中的光激发和脱激过程
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TiO2纳米光触媒
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• 纳米TiO2是一种新型的无机金属氧化物材料 ，由于具有较大的比表面积和合适的禁带
宽度，因此具有光催化氧化降解一些化合 物的能力，纳米TiO2具有优异的光催化活性 ，并且价格便宜，无毒无害等优点因此被 广泛的应用。
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禁带
• 在能带结构中能态密度为零的能量区间。
导带
禁带宽度 禁带
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价带
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半导体能带结构
• 对于半导体，所有价电子所处的能带是所 谓价带，比价带能量更高的能带是导带。 在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入 或热激发后，价带中的部分电子会越过禁 带(forbidden band/band gap)进入能量较高 的空带，空带中存在电子后即成为导电的 能带——导带。
时在价带上产生与电子e-相对应的空穴h+， 即自由电子--空穴对。
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• 价带空穴具有良好的氧化性，能与纳米 TiO2表面吸附的H2O 或OH -反应， 生成具 有羟基自由基。
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自由基反应
• ·O2-和·OH具有很强的化学活性，是参与有 机污染物光催化降解过程的基本单元。
• 光催化反应是光和物质之间相互作用的多 种方式之一，是光反应和催化反应的融合 ，是光和催化剂同时作用下所进行的化学 反应。
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光合作用也可以看作光催化
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• 光触媒(光催化剂)
• PHOTOCATALYSIS = Photo (光)+ catalyst(催化剂)
• 光触媒是利用自然界存在的光能转换成为 化学反应所需的能量，来产生催化作用。
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半导体
本征半导体（纯的半导体，不含有任何杂质，禁带中不存在 缺陷能级)
N型半导体 （主要依靠自由电子进行导电）
掺杂半导体
P型半导体（主要依靠空穴进行导电）
半导体的能带结构 Eg＜ 3eV
导带 禁带 价带
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N型半导体：杂质原子形成共价结合时多余一个电子，则被束缚于杂质原子附近。
光催化
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光催化基础 TiO2光触媒
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什么是光催化?
• 光触媒在光照条件（可以是不同波长的光 照）下所起到催化作用的化学反应，统称 为光反应。
• 光催化一般是多种相态之间的催化反应。
• 光催化过程———反应物+光触媒+光照射
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• 多相光催化是指在有光参与的情况下，发 生在催化剂及表面吸附物（如H2O，O2分 子和被分解物等）多相之间的一种光化学 反应。
导带 价带
Ec Ed
杂质能级
Ev
导带
Ec
Ea Ev
价带
N型半导体的能级
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P型半导体的能级 16
光催化原理
当 用 能 量 等 于 或 大 于 禁 带 宽 度 （ Eg ） 的 光 照射时，半导体价带上的电子可被激发跃 迁到导带，同时在价带上产生相应的空穴， 这样就在半导体内部生成电子（e-）－空穴 （h+）对。 电子具有还原能力，空穴具有氧化能力。 构成了光催化活性的基础。
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导带
• 导带（conduction band）是由自由电子形成 的能量空间。即固体结构内自由运动的电 子所具有的能量范围。
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满带
• 允带（允许电子能量存在的能量范围 ）中 的能量状态（能级）均被电子占据。
• 满带电子是不导电的，因为：泡利不相容 原理认为，每个能级只能容纳自旋方向相 反的两个电子，在外加电场上，这两个自 旋方向相反的电子受力方向也相反。它们 最多只能互换位置，不能出现沿电场方向 的净电流，所以说满带电子不导电。
• 例子：H2O
H2+O2
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光催化过程的发现
• 1967年，藤岛昭，东京大学研究生
• 试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光 线照射，结果 发现水被分解成了氧和氢。
• 石油危机，寻找新能源，
• 这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受 到了瞩目，制氢效率很低，无法作为新能源 方案进行实际利用，因此在轰动一时后迅速 降温。
杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载 流子。
P型半导体：当杂质原子形成共价结合时尚缺少一个电子，存在一个空位，与此空位
相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发 到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成 一个空穴载流子。
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➢常见的光催化材料
photocatalyst Ebg（eV）
ZnO在水中不稳定，会在 粒子表面生成Zn(OH)2
photocatalyst Ebg（eV）
Si
1.1
TiO2（Rutile)
3.0
WO3
2.7
ZnS
3.7
SiC
3.0
Fe2O3
2.2
铁的氧化物会发生光腐蚀
ZnO
3.2
TiO2(Anatase)
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后期在环境领域的发展
• 1992，第一次二氧化钛光触媒国际研讨会， • 日本发表了光触媒的新观念，并提出 应用
于氮氧化物净化的研究成果。 • 以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空
气净 化等领域的相关研究急剧增加。
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光催化原理
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能带理论
• 能带：在形成分子时，原子轨道构成具有 分立能级的分子轨道。晶体中原子轨道所 构成的分子轨道的数量非常之大，以至于 可以将所形成的分子轨道的能级看成是准 连续的，即形成了能带。
O2/H2O
4
.
各种常用半导体的禁带宽度和禁带边缘电位示意图（pH = 0）
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➢TiO2的结构与性质
TiO2晶型结构示意图(锐钛矿型)
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• 纳米 TiO2是一种半导体光催化材料，TiO2 的电子结构特点为一个满的价带和一个空
的导带。当受到能量大于带隙能的光照射 时，价带上的电子被激发，跃过禁带， 同
3.2
CdS
2.4
SnO2
3.8
CdSe
1.7
α-Fe2O3
3.1
金属硫化物在水溶液中不稳定，会发
生阳极光腐蚀，且有毒！
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1.1 2.2
2.4 3.2 2.8 3.03
3.2 3.6
3.8
-1 ENHE
CdS
ZnO
TiO2 SrTiO3
0
Fe2O3
WO3
1 Si
2 ZnS
3
SnO2
H+/H2