纳米二氧化钛光催化材料讲解学习
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。
环境问题已严重影响现代文明的发展，有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康，开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。
纳米TiO2作为一种光催化材料，具有优异的物理和化学性质，因而被广泛应用和重点研究。
本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。
标签：纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能引言半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。
以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。
科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能，使其能在生产实践中广泛应用。
1、TiO2材料简介TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中金红石是TiO2的高温相，锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。
在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。
锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV 与之对应的激发波长为387nm。
所以，TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性，在可见光下一般没有活性。
只有对它的结构进行改性，使它的禁带宽度得以缩小，才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。
改性的方式目前主要有以下几种方法：通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法，通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法，提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法，增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。
光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。
粒径的减小能够使表面原子增加，使光催化剂吸收光的效率显著提高，使其表面e一和h十的浓度增大，从而提高光催化剂的催化活性。
光催化课件：第五章 纳米氧化钛光催化活性
用锐钛矿催化剂时，苯醌浓度在 ～ 内达到最大值， 用锐钛矿催化剂时，苯醌浓度在30～60min内达到最大值，随后 内达到最大值 浓度基本不变。 浓度基本不变。 而金红石和混晶时，苯醌浓度随反应时间的延长而增大。 而金红石和混晶时，苯醌浓度随反应时间的延长而增大。
纳米二氧化钛作为光催化剂的原理及应用
纳米二氧化钛作为光催化剂的原理及应用纳米二氧化钛是一种广泛应用于光催化降解有机污染物的材料。
其具有高表面积、光稳定性、可控的晶型和可调控的带隙等优良性质。
纳米二氧化钛作为光催化剂的原理是利用其能够吸收光子并激发电子，产生电子空穴对，导致氧化还原反应的发生。
纳米二氧化钛在光照下能够将水分解成氢和氧，也能够将有机污染物降解成二氧化碳和水等无害物质。
因此，纳米二氧化钛在环境净化、水处理、空气净化等方面具有广泛应用前景。
- 1 -。
二氧化钛
一：1：纳米二氧化钛是目前应用最为广泛的一种纳米材料。
它是一种半导体材料,除了具有纳米材料共同的特点外,还具有光催化性能。
近十多年来,随着环境污染日益严重,利用半导体粉末作为光催化剂催化降解有机物的研究已成为热点。
在作为光催化剂的主要原料N 型半导体TiO2、ZnO2、CdS、WO3中,相比较而言, TiO2活性高、化学稳定性好、对人体无害,是理想的环保型光催化剂。
实验表明, TiO2至少可以经历12次的反复使用而保持光分解效率基本不变,连续580分钟光照下保持其活性,因而将其投入实际应用有着广阔的发展前景。
2：纳米二氧化钛的光催化降解机理：当二氧化钛受到波长小于387. 5nm的紫外光的照射时,价带上的电子跃迁到导带,激发电离出电子同时产生正电性的空穴,形成电子-空穴对,与吸附溶解在其表面的氧气和水反应。
分布在表面的空穴将OH -和H2O氧化成HO自由基。
HO 自由基的氧化能力是在水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大部分的有机污染物和无机污染物,而且对反应物几乎无选择性,在光催化氧化中起着决定性的作用。
二氧化钛的表面电子可被溶解在表面的氧俘获形成O2-。
另外表面电子具有高的还原性,可以去除水体中的金属离子。
生成的原子氧和氢氧自由基使有机物被氧化、分解,最终分解为CO2、H2O和无机物。
3：目前的研究现状：尝试对不同微生物的杀灭作用：为了考察TiO2对微生物的作用,根据不同的研究和应用背景,人们选择了细菌、病毒、藻类、癌细胞等。
目前已有报道的考察TiO2光催化作用的细菌类有: 乳杆嗜酸细胞(Lactobacil lus acidophi lus),酵母菌( Saccharomyces cerevisiae), 大肠杆菌( Es-cherichia coli), 链球菌( S treptococcus mutans , S .ratus , S .cricetus , S .sobrinus AHT)。
二氧化钛光催化原理讲解学习
精品文档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-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、 CO2和H2O等无害物质。
反应过程如下：反应过程如下：+-(3)+-（ 4）TiO 2 + hv → h+e h+e →热能+(5)++(6)h + OH- → ·OH h + H 2O → ·OH + H-（ 7）O2+ H+→ HO2·(8)e- +O 2→ O22 H2O·→ O2 + H2O2(9)H2O2+ O 2+(10)→·OH+H +O2·OH + dye → ···→ CO2 + H 2 O(11)H+22(12)+ dye → ···→CO +HO由机理反应可知 ,TiO 2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。
Ti0 2光催化氧化的影响因素1、试剂的制备方法常用 Ti0 2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 Ti0 2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。
Ti0 2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。
纳米TiO2光催化性能lx
纳米二氧化钛光催化性能的研究内容摘要纳米二氧化钛（TiO2）作为一种光催化剂，是一种性能优良的N型半导体材料，在发生反应时表现出较好的光稳定性和较高的反应活性，并且无二次污染，是当前应用前景最为广阔的一种纳米功能材料。
本文首先介绍了纳米TiO2的性质及光催化机理，讨论了各种因素对纳米TiO2光催化性能的影响，如晶格缺陷、温度、pH、光照条件以及TiO2的量等。
介绍了液相沉淀法，溶胶-凝胶法，微乳液法三种常用的制备纳米二氧化钛的方法及其光催化性能。
另外，还介绍了关于纳米二氧化钛的改性方面的成就和几种常见的表征手段。
最后简要介绍了光催化技术在环境保护、卫生保健,特别是在光催化功能型材料等方面的贡献,并对其今后的研究进展和应用前景进行了总结和展望。
【关键词】纳米TiO2光催化性能Study On Photocatalytic Property Of Nano-TiO2AbstractNano-titanium dioxide (TiO2) as a kind of photocatalysts, is a kind of n-type of semiconductor materials, with good light stability and high reactivity and has no secondary pollution, is the current potential applications of the most extensive functional nanomaterials.This article describes the nature and nano-TiO2 photocatalytic mechanism to discuss the various factors on TiO2 photocatalytic effects, such as the performance of lattice defects, temperature, pH, illumination conditions and the dosage of TiO2, etc.Describes performance liquid precipitation, sol-gel, MicroEmulsion preparation of three kinds of titanium dioxide nanoparticles method, and photocatalytic properties.Also, presents of titanium dioxide nanoparticles modifing the achievement and characterization of a few familiar.Finally the photocatalytic technology in environmental protection, health care, especially in the photocatalytic functional materials in the areas of contribution, and on its future progress and application of the summarized and prospects.【Key Words】Nano-TiO2photocatalysis property目录前言 (1)一、纳米二氧化钛的性质 (1)（一）表面界面效应 (1)（二）小尺寸效应 (1)（三）量子尺寸效应 (1)（四）宏观量子隧道效应 (2)二、二氧化钛光催化原理 (2)（一）二氧化钛粒子的能带结构 (2)（二）光催化作用机理 (2)（三）影响T i O2光催化活性的因素 (3)三、二氧化钛光催化剂的制备方法 (7)（一）液相沉淀法 (7)（二）溶胶-凝胶法 (8)（三）微乳液法 (9)四、二氧化钛的改性 (9)（一）贵金属沉积 (9)（二）复合半导体 (10)（三）表面光敏化 (10)五、二氧化钛光催化的表征方法 (11)（一）热重法 (11)（二）X射线衍射法 (12)（三）比表面积测定 (13)（四）紫外-可见吸收/漫反射光谱 (13)（五）红外光谱 (14)六、二氧化钛光催化技术的应用 (14)（一）污水处理 (14)（二）表面自洁 (14)（三）杀菌 (15)七、现存问题及前景展望 (15)致谢 (15)参考文献 (16)纳米二氧化钛光催化性能的研究前言光催化氧化技术是一门基于TiO2半导体的科学，现已被列入最有前景的环保高新技术当中。
二氧化钛光催化原理讲解学习
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、CO2和H2O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。
纳米TiO2光催化材料(讲)详解
0.199 3
板钛矿 4.13 斜方晶系
➢锐钛矿相和金红石相TiO2的能带结构
CB/e3.2eV
两者的价带位置相同，光生空
0.2eV CB/e-
穴具用相同的氧化能力;但锐钛矿 相导带的电位更负，光生电子还
原能力更强
3.0eV
VB/h+
VB/h+
混晶效应：锐钛矿相与金红石 相混晶氧化钛中，锐钛矿表面形 成金红石薄层，这种包覆型复合 结构能有效地提高电子-空穴的分 离效率
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，半导体光催化成为国际 上最活跃的研究领域之一。
纳米TiO2光催化剂简介
纳米TiO2是一种新型的无机金属氧化物材料， 它是一种N型半导体材料，由于具有较大的比表面积 和合适的禁带宽度，因此具有光催化降解一些化合 物的能力。
纳米TiO2以其优异的光催化活性、价格低廉、 无毒无害等优点得到了广泛的应用。
2.当氧的分压较低（如PO2 ≤5066.25Pa），底物S的浓度较高 （大于10-3mol/dm-3)时。温度效应取决于温度对有机底物和氧 吸附性能的影响。
其他影响因素 除了前面提过的影响因素外，外加氧化剂、光源、
光强、反应液中的盐等外界条件都可以对TiO2的光 催化活性产生一定的影响。
➢ TiO2光催化材料的特性
➢ TiO2光催化活性的光催化的影响因素
TiO2晶体结构的影响
在 TiO2的三种晶型锐钛矿、金红石和板钛矿中，锐钛矿表 现出较高的活性，原因如下：
1.锐钛矿较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负 的电位，因而具有较高的氧化能力
2.锐钛矿表面ห้องสมุดไป่ตู้附H2O，O2及OH-的能力较强，导致光催 化活性较高
- 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)。
➢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
➢光生电子—空穴对的氧化还原机理
➢TiO2光催化主要反应步骤
H+VB
hv
TiO2
复 合
Байду номын сангаас
E-CB
价带空穴诱发氧化反应 捕获价带空穴生成 Titanol基团
导带电子诱发还原反应 捕获导带电子生成Ti3+
⑥
Ti
HO Ti
⑦
e-
① ②
➢TiO2光催化剂的催化机理
半导体的能带结构
半导体存在一系列的满带，最上面的满带成为价带 （valence band，VB）存在一系列的空带，最下面的空带称 为导带（conduction band，CB）；价带和导带之间为禁带。
当用能量等与或大于禁带宽度（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。
1 Si
2 ZnS
3
SnO2
H +/H 2
O 2/H 2O
4
.
各种常用半导体的能带宽度和能带边缘电位示意图（pH = 0）
➢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)
h+
④
Ox-
Red+ →→→CO2,Cl,H+,H2O
③
⑤
Red
纳米TiO2光催化材料
主要内容
纳米TiO2光催化剂简介※ 纳米TiO2光催化剂的制备※ 纳米TiO2光催化剂的表征 纳米TiO2光催化剂的应用 总结
纳米TiO2光催化剂简介
➢什么是多相光催化剂？
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。
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。
纳米TiO2是一种新型的无机金属氧化物材料，它是一种N型半导体材料，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
导带
Ec Ed
Ev
价带
N型半导体的能级
导带
Ec
Ea Ev
价带
P型半导体的能级
P型半导体中电子转移示意图
C:\Documents and Settings\Administrator\桌 面\03_02_07_1.swf
N型半导体中电子转移示意图
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_08_1.Mpeg.swf
PN节
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_09_1.swf C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_09_2.swf
➢为什么要用纳米半导体光催化剂？（量子限域效应）
粒子半导体
3.2eV VB/h+
3.0eV VB/h+
混晶效应：锐钛矿相与金红 石相混晶氧化钛中，锐钛矿 表面形成金红石薄层，这种 包覆型复合结构能有效地提 高电子-空穴的分离效率
➢ TiO2光催化材料的特性
优缺点
研究方向：TiO2改性，提高太阳能的转化率及光催化 效率
TiO2是当前最具有应用潜力的光催化剂
P型半导体（负电荷中心起提供电子的作用， 依靠空穴进行导电）
半导体的能带结构
导带
Eg＜ 3eV
禁带 价带
实际半导体中，由于半导体材料中不可避免地存在杂质和各
类缺陷，使电子和空穴束缚在其周围，成为捕获电子和空穴的陷 阱，产生局域化的电子态，在禁带中引入相应电子态的能级。N 型半导体的缺陷能级Ed靠近导带，P型半导体的Ea靠近价带。
原子 轨道
N=1
分子 轨道
N=2
簇物
N=10
量子化 粒子
半导体
N=2000 N>>2000
LUMO
导
带
能
量
价 带
HOMO
半导体能带宽度与粒子大小N(Å)的关系示意图
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
团簇（表面界面效应）
导带
///////////////////////////////////////
浅陷阱
E0
－
深陷阱
－
///////////////////////////////////////
价带 距离
－ －
非定域分子轨道
— 表面态 深陷阱
深陷阱 — 表面态
直径
非定域分子轨道
大的半导体粒子和微粒（分子簇）的空间电子状态
3.0
WO3
2.7
ZnS
3.7
SiC
3.0
Fe2O3
2.2
铁的氧化物会发生阴极光腐蚀
ZnO
3.2
TiO2(Anatase)
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！
➢光催化技术的发展历史
➢TiO2光催化剂的优点
➢TiO2的结构与性质
rutile 4.22 Tetragonal 9.05 5.8 0.199
3
system
brookite 4.13 Rhombic system
➢锐钛矿相和金红石相TiO2的能带结构
CB/e-
0.2eV CB/e-
两者的价带位置相同，光生 空穴具用相同的氧化能力;但
锐钛矿相导带的电位更负， 光生电子还原能力更强
被广泛的应用。
纳米TiO2粉体
半导体是指电导率在金属电导率（约104~106Ω/cm)和电 介质电导率（ ＜1-10 Ω/cm)之间的物质，一般的它的禁带宽 度Eg小于3eV。
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 半导体电子的状态,即缺陷能级)
掺杂半导体
N型半导体 （正电荷中心起提供电子的作用， 依靠自由电子进行导电）
TiO6
Ti
O
金红石型
锐钛矿型
TiO2晶型结构示意图
➢TiO2晶体的基本物性
Crystal Relative Type of structures density lattice
Lattice constant
ac
Lengths of Ti-O bond Eg/eV
/nm
anatase 3.84 Tetragonal 5.27 9.37 0.195 3.2 system