(完整word版)光催化材料研究进展概要
光催化研究进展
光催化研究进展光催化材料最新研究进展1.简介当今世界正面临着能源短缺和环境污染的严峻挑战,解决这两大问题是人类社会实现可持续发展的迫切需要。
中国既是能源短缺国，又是能源消耗大国。
近年来，伴随社会经济的快速发展，中国石油对外依存度不断攀升,已经严重影响国家经济健康发展和社会稳定，并威胁到国家能源安全。
同时，石油等化石能源的过度消耗导致污染物大量排放，加剧了环境污染，尤其是我国近年来雾霾天气的频繁出现，严重影响了人民的生活和身体健康，开发和利用太阳能是解决这一难题的有效方法之一。
我国太阳能资源十分丰富，每年可供开发利用的太阳能约1.6×1015W，大约是2021年中国能源消耗的500倍。
从长远看，太阳能的有效开发与利用对优化中国能源结构具有重大意义。
然而太阳能存在能量密度低、分布不均匀、昼夜/季节变化大、不易储存等缺点。
如图1所示，光催化技术可以将太阳能转换为氢能。
氢能能量密度高、清洁环保、使用方便，被认为是一种理想的能源载体。
目前氢能的利用技术逐渐趋于成熟，以氢气为燃料的燃料电池已开始实用化，氢气汽车和氢气汽轮机等一些“绿色能源”产品已开始投入市场。
氢利用技术的成熟提高了对制氢技术快速发展的要求。
高效、低成本、大规模制氢技术的开发成为了“氢经济”时代的迫切需求。
自20世纪70年代日本科学家利用TiO2光催化分解水产生氢气和氧气以来，光催化材料一直是国内外研究的热点之一。
光催化太阳能制氢方法是一种成本低廉、集光转换与能量存储于一体的方法，该领域的研究越来越受到各国的广泛关注。
国际上光催化材料研究竞争十分激烈。
光催化材料不仅具有分解水制氢的功能,而且具有环境净化功能。
利用光催化材料净化空气和水已成为当今世界引人注目的高新环境净化技术。
太阳能转换效率是制约光催化技术走向实用化的关键因素之一，光催化材料的光响应范围决定了太阳能转换氢能的最大理论转化效率。
光催化领域经过40余年的发展和积累，正孕育着重大突破，光催化太阳能转换效率不断提高，光催化技术正处于迈向大规模应用的关键阶段，国际竞争十分激烈。
光催化
4
影响因素
光催化剂
纳米TiO2
pH的影响 当pH小于7时，随pH降低TiO2表面的OH-减少。羟基自 由基数量的减少，使反应速率下降。并且指出，pH=7 左右降解速率有极大值。在光降解过程中，溶液的pH 是氯化芳香烃在TiO2表面吸附的重要参数。
4
影响因素
光催化剂
纳米TiO2
光强度的影响 光照强度和催化效果有直接关系。因为单位体积内有 效光子数是影响反应速率的直接因素。光照强度越高 时，单位体积内所接受的入射光子数越多，在催化剂 表面产生的活性物种越多，反应自然就快。但光强度 也不是无限制的越高越好。当光子的利用率达到最大 时，过多的光子无法得到利用。从经济角度出发，能 源的过渡浪费也是不可取的。另外，TiO2的加入量、 光波长、氧浓度的变化等都对光催化降解反应有影响。
有Pt, Ir, Pd, Ag,Au及Ru等,其中又以Pt的改性效果最好
5
改性
光催化剂
纳米TiO2
金属离子的掺杂 纳米TiO2的表面贵金属沉积 在TiO2晶格中引入金属离子,可以减小禁带宽度,使价带中电子在接受 在TiO2光催化剂的表面沉积适量的贵金属可以改变半导体体系中电子 了波长较长的光激发后,先跃迁到杂质能级,再由杂质能级跃迁至导带, 的分布和传输,从而达到改变光催化活性的目的.贵金属与半导体接触 从而降低了受激发所需要的能量,进而达到TiO2光催化剂的光谱响应 时,由于贵金属和半导体的费米能级的差异,载流电子将会被重新分布; 范围的红移，即可使其对可见光发生响应 同时可以形成贵金属簇,使得光生电子不断从TiO2价带上转移到贵金 非金属元素的掺杂 属表面,产生肖特基势垒去阻止电子-空穴对的复合.较为常用的贵金属 目前对非金属掺杂的研究较少,且主要集中在氧附近的元素,如N,C,B等 有Pt, Ir, Pd, Ag,Au及Ru等,其中又以Pt的改性效果最好 .一般认为,非金属元素的掺杂是在TiO2中引入晶格氧空位,或者非金属
绿色建筑光催化材料二氧化钛研究进展
绿色建筑光催化材料二氧化钛研究进展随着社会经济的发展和人们对环境保护意识的提高，绿色建筑已成为一种趋势。
绿色建筑是一种可持续性建筑，其设计和建造考虑了减少对环境的影响，提高建筑能源效率，提高室内环境质量等因素。
绿色建筑需要使用环保、健康的建筑材料，而光催化材料二氧化钛是一种很有潜力的材料，能够用于室内和室外环境的净化。
二氧化钛具有很高的光催化活性，在受到紫外线或可见光照射时能够吸收水中的氧和有机物质、微生物，将其分解为CO2和H2O，从而达到清洁水和空气的目的。
二氧化钛的光催化能力是由于其表面具有活性位点，通过吸附反应活化两种物质，从而产生自由基，进而分解有机污染物，因此用于绿色建筑中的光催化材料是探索和应用的热点。
二氧化钛的催化性能可以通过修饰或改性来提高。
硫化二氧化钛、掺杂二氧化钛、纳米二氧化钛和复合二氧化钛等是目前研究的热点。
硫化二氧化钛的光催化性能比纯的二氧化钛更优秀，因为硫是一种与光催化反应有关的活性物质。
掺杂二氧化钛一般通过在其晶格中引入其他金属离子，从而形成掺杂二氧化钛。
掺杂的离子会影响二氧化钛的电子结构及其表面性质，可以提高催化性能，让其可使用于室内环境净化中。
纳米二氧化钛的光催化性能也比纯的二氧化钛更优秀，因为小尺寸的纳米颗粒有更大的比表面积和更短的电子传输路径。
在光照区域内，纳米二氧化钛能较好地吸收光线，提高了催化效率。
复合二氧化钛材料是指将二氧化钛复合到另一种材料中，如氧化锌、氧化铜等，可以增强催化性能，同时还可以对催化剂的电子能级结构有所调整，改进催化剂在光催化中的性能。
此外，改进二氧化钛的制备方法也为提高其光催化性能提供了新途径。
目前常使用的方法有溶胶-凝胶法、沉淀法和水热法等。
溶胶-凝胶法是一种干燥和烧结过程多的制备方法，可控性较好，且可以制备出更细致的二氧化钛微粒，通常能够得到更高的催化性能。
水热法是指以水为溶媒将反应物反应时制备二氧化钛的方法，该方法不需要多次烧结和洗涤，工艺简单，适用于制备较小颗粒的二氧化钛，并且可制备出不同形貌的二氧化钛粒子，如球形、链形、管状等。
新型二维材料光催化与电催化研究进展
新型二维材料光催化与电催化研究进展一、本文概述随着科技的飞速发展，二维材料作为一种新兴的纳米材料，以其独特的物理和化学性质，在光催化和电催化领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在全面概述新型二维材料在光催化和电催化领域的研究进展，探讨其性能优化和应用前景。
我们将首先介绍二维材料的基本特性及其在光催化和电催化中的优势，然后重点综述近期在二维材料设计、合成、性能调控以及实际应用等方面取得的重要成果。
我们还将讨论当前面临的挑战和未来的发展方向，以期为该领域的进一步研究提供有益的参考。
二、二维材料光催化研究进展近年来，二维（2D）材料在光催化领域的研究取得了显著的进展。
这些材料因其独特的电子结构和物理化学性质，为光催化反应提供了新的可能性。
二维材料，如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等，具有原子级别的厚度和极高的比表面积。
这些特性使得二维材料在光吸收、电荷传输和表面反应等方面展现出独特的优势。
例如，其超薄的结构使得光生载流子能够在更短的时间内到达表面参与反应，从而提高光催化效率。
二维材料在光催化领域的应用主要包括光解水制氢、光催化还原二氧化碳以及有机污染物的光催化降解等。
通过调控二维材料的电子结构、构建异质结、引入缺陷等手段，可以进一步提升其光催化性能。
近年来，科研人员在二维材料的光催化性能方面进行了大量研究。
例如，通过精确控制二维材料的合成条件，可以实现对其能带结构的调控，从而提高光生载流子的分离效率。
通过将二维材料与其他材料复合，形成异质结结构，可以进一步促进光生载流子的传输和分离，从而提高光催化性能。
尽管二维材料在光催化领域取得了显著的进展，但仍面临一些挑战，如光生载流子的复合率较高、可见光利用率较低等。
未来，科研人员需要进一步探索新的二维材料，并发展更有效的策略来提高其光催化性能。
还需要深入研究二维材料光催化反应的机理，为设计更高效的光催化剂提供理论支持。
三、二维材料电催化研究进展近年来，二维材料在电催化领域的研究取得了显著进展，其独特的电子结构和物理性质使得它们在电催化反应中展现出优异的性能。
新型光催化剂的研究进展与应用前景
新型光催化剂的研究进展与应用前景新型光催化剂是指通过光照作用下，能够促进化学反应的物质。
光催化剂具有高效、环境友好、可重复使用等特点，在环境治理、能源转化、有机合成等领域具有广阔的应用前景。
本文将从研究进展和应用前景两个方面进行阐述。
一、研究进展1.二维材料光催化剂：二维材料具有高比表面积、丰富的化学反应位点以及优异的光电性能等特点，被广泛应用于光催化反应中。
例如，二维过渡金属硫属化物（TMDs）如MoS2、WS2等在水分解、二氧化碳还原等反应中显示出优异的活性和稳定性。
2.非金属碳化物光催化剂：非金属碳化物如氮化碳、磷化碳等也是研究的热点。
这些材料不仅具有较好的光吸收性能，而且还能够通过调节其结构和组分来调控其催化性能。
例如，氮化碳具有较高的光催化活性和稳定性，在有机污染物降解、水分解、氧还原等反应中得到了广泛应用。
3.共价有机骨架光催化剂：共价有机骨架如金属有机骨架（MOF）、共轭有机聚合物（COP）等也是研究的热点。
这些材料具有多孔结构、丰富的官能团以及良好的催化活性，可用于光催化降解有机污染物、二氧化碳固定和转化、氢能产生等反应。
4.界面调控光催化剂：界面调控光催化剂可以通过修饰催化剂表面，改变其光电性质以及表面氧化还原性能，从而调控催化剂的催化性能。
常见的界面调控方法包括共沉淀法、浸渍法、溶胶凝胶法等。
这种调控方法可以显著增强催化剂的活性、选择性和稳定性。
二、应用前景1.环境治理：新型光催化剂可用于大气和水环境中有害物质的去除，如有机污染物的降解、重金属的去除等。
光催化技术与传统的吸附、氧化、还原等方法相比，具有高效、无二次污染的优点。
2.能源转化：新型光催化剂在能源转化领域也具有巨大的潜力。
例如，光催化剂可用于光电催化水分解产氢，将太阳能转化为可储存和利用的氢能源。
同时，光催化剂还可用于二氧化碳的固定和转化，实现CO2资源化利用。
3.有机合成：新型光催化剂在有机合成中也有广泛应用。
光催化技术可以用于光催化还原、光催化氧化、光催化偶联等反应，实现有机物的高效合成。
光催化材料研究进展
光催化材料研究进展马晓春;徐广飞【摘要】叙述了近些年来光催化材料的研究进展与核-壳型光催化纳米材料的研究现状,指出光催化材料尤其是纳米材料在治理环境污染方面发挥的巨大作用.同时,结合笔者的工作,简要介绍了纳米SnO2光催化剂的特点、制备方法和复合结构,并对其前景进行了展望.%The paper described the researching progress of photocatalytic materials and photocatalytic nanometer materials of core-shell structure in recent years. And its important role was pointed out in environmental pollution control especially for nanometer materials. At the same time, the characteristics, preparation method and composite structure of nanometer SnO2were introduced briefly according to the works. In addition, the development prospect was also described.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2012(000)009【总页数】4页(P58-61)【关键词】光催化材料;TiO2;核-壳结构;SnO2【作者】马晓春;徐广飞【作者单位】浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州330014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州330014【正文语种】中文【中图分类】TQ13随着社会的进步和工业的发展，环境污染逐渐成为威胁人类生存的严重问题。
对此，人们展开了治理污染、保护环境的科学研究，并取得了一定的成效。
光催化材料的研究与进展
光催化材料的研究与进展洛阳理工学院 吴华光 B08010319 摘要 ： 光催化降解污染物是近年来发展起来的一种节能、高效的绿色环保新技 术．它在去除空气中有害物质 ,废水中有机污染物的光催化降解 ,废水中重金属污 染物的降解，饮用水的深度的处理，除臭，杀菌防霉等方面都有重要作用，但是 作为新功能材料，它也面临着很多局限性：催化效率不高，催化剂产量不高，有 些催化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。
但是我们也应当看到他巨大 的发展潜力和市场利用价值，作为处理环境污染的一种方式，它以零二次污染， 能源消耗为零， 自发进行无需监控等优势必将居于污染控制的鳌头。
本文介绍了 一些关于光催化研究的制备与发展方向的思考，光催化正在以 TiO 2，ZnO 为主 导多种非重金属离子掺杂，趋于多样化的制备方法方向发展。
关键字 ：光催化 催化效率正文：光催化 （Photocatalysis ）是一种在催化剂存在下的光化学反应，是光化学与催 化剂的有机结合，因此光和催化剂是光催化的必要条件。
“光催化 ”定义为:通过 催化剂对光的吸收而进行的催化反应 （a catalytic reaction involving light absorption by a catalyst or a substrate 。
） 氧化钛（TiO 2 ）具有稳定的结构、优良的光催化性能及 无毒等特点，是近年研究最多的光催化剂，但是，TiO 2具有大的禁带宽度，其值为 3．2 eV ，只能吸收波长 A ≤387 11111 的紫外光， 不能有效地利用太阳能， 光催化或能量转换效率偏低， 使它的应用受 到限制。
因此， 研制新型光催化剂、 提高光催化剂的催化活性仍是重要的研究课 题 [1] 。
复合掺杂不同半导体， 利用不同半导体导带和价带能级的差异分离光生载 流子，降低复合几率，提高量子效率，成为提高光催化材料性能的有效方法 [2-5] 。
纳米光催化材料的研究进展
纳米光催化材料的研究进展纳米光催化材料是一种新型的催化材料，具有高效、环保、经济等优势，广泛应用于环境净化、能源转化、有机合成等领域。
近年来，随着纳米材料研究的不断深入，纳米光催化材料的研究取得了多项重要进展，为人们解决环境和能源问题提供了新的途径。
一、纳米光催化材料的基本原理纳米光催化材料是指粒径在纳米尺度的催化材料，其基本原理是通过光照激发材料表面的电子，产生电子-空穴对，从而促进催化反应的进行。
这一过程需要具备合适的能带结构、表面活性位点和光吸收能力。
通过调控这些因素，可以实现对多种反应的催化作用。
1. 结构设计与合成近年来，研究人员通过调控纳米材料的形貌、晶面和结构等特征，设计和合成出一系列高效的纳米光催化材料。
通过控制金纳米颗粒的大小和形貌，可以调节其表面等离子共振效应，提高光催化活性。
还有人利用各种纳米结构，如纳米线、纳米片、纳米孔等，制备出具有特殊光催化性能的材料。
2. 光催化机理研究研究人员通过表征手段和理论模拟，揭示了纳米光催化材料的反应机理。
他们发现了在光照条件下，纳米材料表面的电子-空穴对会参与气体吸附、光生电荷分离和传递等过程，从而促进气相和溶液相中的催化反应。
这些研究成果为理性设计和调控纳米光催化材料提供了重要参考。
3. 应用领域拓展纳米光催化材料在环境净化、能源转化和有机合成等领域的应用也取得了显著进展。
通过调控纳米光催化材料的能带结构和表面性质，可以实现对污染物的光催化降解，如有机物降解、重金属离子去除等。
还可以利用纳米材料的光电催化性能，实现可见光光解水制氢、光催化二氧化碳还原、光催化制氨等能源转化过程。
纳米光催化材料还被应用于有机合成领域，实现高效、绿色的有机反应。
虽然纳米光催化材料在各个领域都取得了可喜的进展，但仍然面临着一些挑战。
纳米材料的合成和表征技术仍然不够成熟，需要进一步提高材料的制备精度和稳定性。
纳米光催化材料的光吸收和光生电荷分离效率有待提高，以实现更高效的催化活性。
光催化研究进展范文
光催化研究进展范文光催化研究的核心在于光催化剂的设计与合成。
光催化剂是指能够吸收光能并将其转换为化学能的物质，常用的光催化剂有半导体纳米材料和金属有机骨架材料。
近年来，研究者通过调控光催化剂的结构、组成和形貌，不断提高其光吸收和光电转化效率，实现了一系列高效的光催化反应。
光催化研究的应用领域非常广泛，主要包括环境治理和能源转换两方面。
在环境治理方面，光催化技术可用于有机污染物的降解、废水处理和空气净化等。
光催化剂通过吸收光能产生电子和空穴，可利用其高度活性的电子和空穴参与有机物的降解和氧化反应，从而高效去除有毒有害物质。
在能源转换方面，光催化技术可用于光电催化水分解制氢、光电化学蓄能、太阳能电池等。
利用太阳能进行催化反应可以实现能源的可再生和可持续利用，有望解决当前面临的能源危机问题。
在光催化研究领域，近年来取得了一系列重要的进展。
例如，研究者通过合成一系列具有特殊结构的半导体纳米材料，如纳米线、纳米片等，提高了光催化剂的光吸收能力和界面活性。
通过改变材料的能带结构和表面修饰，可调控其电子和空穴的迁移和分离效果，从而提高光催化反应的效率。
此外，随着金属有机骨架材料的发展，对光催化剂的设计和合成提供了新的途径。
金属有机骨架材料具有大孔径、高表面积和丰富的活性位点等特点，可用于气态污染物的吸附和催化转化。
光催化研究还面临一些挑战和问题。
首先，光催化剂的稳定性和寿命是制约其应用的关键因素。
光催化剂在长时间的光照和反应过程中易发生晶格缺陷和表面上的活性位点疲劳，导致催化活性的降低。
其次，光催化剂的制备成本较高，且合成过程中存在一定的环境和安全隐患。
因此，如何降低光催化剂的成本、提高其稳定性和寿命，是当前光催化研究亟需解决的问题。
总之，光催化研究在环境治理和能源转换方面有着广阔的应用前景。
随着光催化剂的设计和制备工艺的不断进步，相信在不远的将来将会有更多的高效光催化剂问世，为解决环境污染和能源危机问题做出更大的贡献。
光催化技术的研究进展和应用前景
光催化技术的研究进展和应用前景近年来，光催化技术在环境治理、新能源开发、医疗卫生等领域得到了广泛关注和应用。
在不产生二次污染的前提下，通过光的作用将有害物质转化成无害物质，实现环境净化和治理，实现“净化+利用”的目的，因此被认为是环保产业未来的重要发展方向之一。
1. 光催化技术的基本原理和分类光催化技术是指通过光照射，利用光催化剂将有害物质转化为无害物质的技术。
它的基本原理是，光催化剂在光的作用下，具有激发能量的电子与氧分子结合，产生高度活性的氧化还原物，从而加速污染物的降解。
而光催化剂是指能够吸收光能，激发电子，参与或促进化学反应的材料，通常是由半导体材料制备而成。
根据光源的不同，光催化技术主要可以分为自然光催化和人工光催化。
自然光催化是指利用自然光源，将光能转化为化学能的过程，适用于室外照明和环境治理等领域；而人工光催化是指利用人工光源，将电磁波转化为化学能的过程，适用于光电催化水分解、人工光合作用等新能源领域。
2. 光催化技术在环境治理领域的应用光催化技术在环境治理领域的应用，主要是针对大气污染和水污染两个领域。
在大气污染方面，研究表明，光催化技术能够将二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物和甲醛等有毒有害气体转化为二氧化碳和水等无害物质，从而有效改善空气质量。
在水污染方面，光催化技术能够有效地分解甲醛、苯、氨氮、六价铬等有害物质，使废水变得清澈透明。
比如，近年来各种光催化材料的研究得到了广泛关注。
如纳米二氧化钛，是一种光催化材料，能够吸收紫外光，使二氧化硫等有毒气体得到有效分解。
光催化处理过程的最终产物是二氧化碳和水，因此具有很高的环境友好性。
3. 光催化技术在新能源领域的应用光催化技术在新能源领域的应用，主要是针对光电催化水分解和人工光合作用等方面。
光电催化水分解是指利用光催化剂在光的作用下，将水分解为氢气和氧气的过程，而人工光合作用则是一种仿照自然界光合作用的新能源技术。
其中，光电催化水分解是解决氢能生产和贮存问题的核心技术。
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光催化材料研究进展20 世纪以来, 人们在享受迅速发展的科技所带来的舒适和方便的同时, 也品尝着盲目和短视造成的生存环境不断恶化的苦果, 环境污染日趋严重。
为了适应可持续发展的需要, 污染的控制和治理已成为一个亟待解决的问题。
在各种环境污染中, 最普遍、最重要和影响最大的是化学污染。
因而, 有效的控制和治理各种化学污染物是环境综合治理的重点, 开发化学污染物无害化的实用技术是环境保护的关键。
目前使用的具有代表性的化学污染物处理方法主要有: 物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法和高温焚烧法。
这些方法对环境的保护和治理起重大作用, 但是这些技术不同程度的存在着或效率低, 不能彻底将污染物无害化, 产生二次污染, 或使用范围窄, 仅适合特定的污染物而不适合大规模推广应用等方面的缺陷[1]。
光催化氧化技术是一门新兴的有广阔应用前景的技术, 特别适用于生化、物化等传统方法无法处理的难降解物质的处理。
其中TiO 2、ZnO、CdS、WO、Fe 2 O 3等半导体光催化技术因其可以直接利用光能而被许多研3究者看好[2]。
1.1 TiO 2光催化概述1.1.1 TiO 2的结构性质二氧化钛是一种多晶型化合物,常见的n型半导体。
由于构成原子排列方式不同,TIO2在自然界主要有三种结晶形态分布:锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。
三种晶体结构的TIO2中,锐钛矿和金红石的工业用途较广。
和锐钛矿相比,金红石的原子排列要致密得多,其相对密度、折射率以及介电常数也较大,具有很高的分散光射线的能力,同时具有很强的遮盖力和着色力,可用作重要的白色涂料。
锐钛矿在可见光短波部分的反射率比金红石型高,普遍拥有良好的光催化活性,在光催化处理环境污染物方面有着极为广阔的应用前景[3]。
1.1.2TiO2光催化反应机理半导休表面多相光催化的基本原理:用能量高于禁带宽度(Eg)的光照射半导体表面时,价带上的电子被激发,跃迁到异带上，同时在价带产生相应的空穴,这样就半导体内部生成电子(e-)—空穴（h+）随后,.电子-空穴对迁移到粒子表面不同位置、与吸附半导体表面的反应物发生相应的氧化或还原反应,同时激发态的二氧化钛重新回归到基态。
与电荷分离相逆的是电子-空穴对的复合过程,这是半导体光催化剂失活的主要原因。
电子-空穴对的复合将在半导体体内或表面发生,并释放热量。
1.1.3 TiO2催化剂的局限及改性途径作为光催化剂,虽然二氧化钛具有其他催化剂难以比拟的无毒、价廉以及稳定等优点。
但是目前二氧化钛光催化还存在着一些不足和局限,致使其不能再现实中得到大规模应用。
究其原因,主要在于二氧化钛催化剂对太阳光的利用率不高并且其量子产率太低。
锐钛矿相和金红石相二氧化铁的带隙分别为3.2eV和3.0 eV,对应的吸收阈值分别为420nm和380nm。
它们所吸收的光的波长主要集中在紫外区,而在照射到地球表面的太阳光中,紫外光部分所占的比例还不到5%。
从利用太阳能的角度来看,二氧化钛对太阳光的利用率较低,因此,如何缩小其带隙,利用可见光来激发价带电子,成为二氧化铁光催化研究的一个重要方向。
另一方面,半导体光催化剂的光生载流子的复合几率很高,导致了低量子产率。
常规Ti02半导体光催化剂的量子产率不到4%[4][5]。
目前,即使通过一些改性途径取得了一定进展,量子产率最高的催化剂也还在10%以下[6],远没有达到实际应用的需要。
综上所述,可以看出,二氧化钛研究和改性的两大目标就是:一是通过缩小二氧化钛的带隙或其他途径,增大催化剂对太阳光,尤其是可见光部分的吸收;二是抑制光生电子-空穴对的复合,以获得较高的光催化量子产率,提高光转换效率。
在此,我们介绍几种常见的二氧化钛光催化剂改性的方法[7]。
（a）贵金属沉积贵金属纳米颗粒沉积在二氧化钛半导体表面,有利于提高二氧化钛催化剂的活性。
Hiroshi Tsuji 等人[8]研究结果表明, 将Cu、Ag 负载在TiO2上形成Cu、Ag- TiO 2体系( 在400℃左右退火) 在降解甲基蓝时的光催化活性是没有负载的1.8倍。
Yuexiang Li 等[9]将Pt 负载在T iO 2上面, 在降解EDTA 时同样光催化活性有了明显的提高。
Kun Cheng等[10]用超声的方法将Au纳米颗粒负载入T iO 2单晶中，形成Au/TiO2(001),在降解2,4-DCP的光催化活性上比其他没有负载的好很多，同时也比Au/TiO2(101)也高。
Zhenfeng Bian等[11]将Au纳米颗粒引入TiO2晶格中形成独特的内消旋结构的Au/MesoTiO2，其催化活性要比Au/P25提高很多。
(b)金属离子掺杂近二十年来,金属离子掺杂作为二氧化钛光催化改性的一种有效途径而得到广泛的研究[12-18]。
并以取得了重要的进展。
在半导体结构中引入微量杂质金属离子,就可能对其性质发生很大影响。
不同的金属离子掺杂产生的效果各不相同,有的金属离子的引入可以极大地提高二氧化钛的光催化活性,而另一些可能具有相反的效果。
choi等系统的研究了TIO2中21种过渡金属的掺杂效果,通过比较各催化剂在CHCl3:光催化氧化及CCl4光致还原反应中的表现,得出了光催化活性与掺杂金属原子的电子层结构有关,而其中具有闭壳层电子结构的金属原子对Ti02的光催化活性影响较小[19,20]。
(c)非金属元素掺杂非金属元素掺杂对二氧化铁光催化活性的影响的研究比较晚,但在近几年受到了广泛的关注。
有学者将之称为继纯Ti02和金属离子掺杂的二氧化钛之后的第三代光催化剂,也不无道理。
近几年,非金属掺杂二氧化铁光催化剂的研究取得了很大进展。
2001年,R.Asahi等[21]发现通过氮掺杂二氧化钛,可以极大地提高Ti02的可见光活性。
并由此掀起了一股氮掺杂二氧化钛光催化剂的研究热潮。
ShaedU.M.Kham 等[22]通过固体紫外-可见漫反射光谱测试表明,氮掺杂可以使Ti02的带隙从3.2eV缩小到2.32eV。
(d)复合半导体TiO2与其他半导体材料形成复合半导体,可以利用另一种半导体的能带结构来弥补Ti02的光学性能的不足。
对于复合半导体光催化剂,一般选择能带结构与Ti02交叉匹配度较合适的半导体与之复合。
这样既有利于材料增大材料的对光的吸收波长的范围,同时,电子与空穴在不同半导体能带上迁移,也有利于光生电子-空穴的传输与分离。
Kamat等[23]发现,对于CdS/Ti02复合半导体,量子尺寸效应在电子从CdS迁移至TiO2的过程中扮演着重要角色。
(e)表面修饰和敏化作用表面修饰主要是指通过修饰基团或表面处理,改变材料的表面电性、亲水性、吸附性能以及活性集团的数量等。
二氧化铁的表面修饰手段有包覆、敏化以及酸修饰等。
Anderson等[24]报道,在TiO2表面包覆Si02外壳,有助于提高二氧化铁染料电池的活性和寿命。
与Ti4+相比,Ti3+是一种更有效地光生电子界面转移位点。
使用H2等还原性气体对Ti02表面进行热还原处理,使得其表面的Ti3+含量大幅上升,产生合适的钛经基和Ti3+比例结构[25]。
研究表明通过超强酸修饰Ti0光催化剂,可以在Ti02表面增加强2经基基团,有利于光催化反应[26]。
当然,表面修饰也可以在合成过程中进行。
在不同的合成体系中,或不同合成条件下,所得材料的形貌和结构有所不同的同时,材料的表面性能也有所差异。
敏化作用是指利用具有较好光吸收性能的敏化剂吸收光子形成激发态,然后将激发态电子传递给Ti02的导带,最后电子在Ti02表面与活性物种发生反应，利用敏化剂,可以克服二氧化钛的带隙过宽的缺点,延长材料的吸收波长,同时又能够保持二氧化铁的氧化电势[27]。
敏化剂可分为无机敏化和有机染料敏化。
Fitzmaurice等[28]发现,通过Agl敏化的Ti02催化体系中,电子-空穴对的寿命可延长至100微秒。
有机染料常用作敏化剂来提高Ti02的光学性质,并在染料电池中有广泛的应用[27]。
通常,有机染料通过官能团与二氧化钛相互作用,吸附于Ti02材料表面。
赵进才组[29]以茜素红染料为光敏化剂,以及TMPO为助催化剂,在可见光下以二氧化钛光催化芳香醇选择性氧化成酸的反应中,获得了良好的选择性和转化率。
作为敏化剂,需要满足一定的条件,首先,染料应有较高的光吸收效率及较宽的吸收带,能够吸收可见、近红外及红外光。
其次,染料的激发态应具有较长的寿命和较高的量子效率。
另外,染料的基态与激发态的电子结构应与二氧化钛的能带结构有较好的匹配度,以便于光生电子的传递。
目前研究较多的染料敏化剂有联批吡啶钌配合物系列、酞菁系列、叶绿素及其衍生物等。
2.1 ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe等材料光催化概述2.21ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe光催化反应机理ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe等材料光催化降解有机污染物的机理与TiO2的降解机理类似[30]。
主要分为三个步骤：（1）当半导体材料被能量大于或等于其禁带宽度的光照射时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子（e-），同时价带留下空穴（h+）；（2）光生电子和空穴分别被表面吸附的O2和H2O分子等捕获，最终生成羟基自由基（·ＯＨ），，该自由基通常被认为是光催化反应体系中主要的氧化物种；③·ＯＨ氧化电位高达2.7eV，具有强氧化性，可以无选择性地进攻吸附的底物使之氧化并矿化．2.22ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe等材料在光催化方面的改性对ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe进行改性是目前解决以上问题的主要方法．许多研究表明，通过对ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe纳米材料表面沉积贵金属、复合其他金属氧化物、掺杂无机离子以及载体负载等方法，可以扩展ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe对光的响应范围，提高光催化性能及稳定性，大致与TiO2类似。
（a）贵金属沉积；Lu[31]等发现在ZnO中空球体表面沉积的Ag不仅可以作为电子库促进光生电子和空穴的分离，而且还提高了表面羟基的量，使之整体表现出更高的光催化活性．；Sano T[32]则认为贵金属本身就可以作为催化剂降解有毒有机污染物；Zheng[33]报道了贵金属修饰改变了半导体表面缺陷的浓度，从而提高了光催化活性的研究结果。
Choi[36]等分析了Au 修饰的WO 3薄膜的降解机制。
Sun[37]等也提出Ag/WO 3异质结的存在。
(b)半导体复合单一半导体催化剂的光生载流子（ｅ－，ｈ＋）容易快速复合，导致光催化效率降低，而不同半导体的价带、导带和带隙能不一致，半导体复合可能产生能级的交错，有利于光生电子和空穴的分离，从而产生更多的活性氧化物种，同时可以扩展纳米ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe等的光谱响应，因此复合半导体比单一半导体具有更好的光催化活性和稳定性．（c）离子掺杂金属离子的掺入可在半导体中引入缺陷或形成掺杂能级，影响电子与空穴的复合或改变氧化锌半导体的能带结构，从而改变ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe的光催化活性．另外，许多过渡金属具有对太阳光吸收灵敏的外层ｄ电子，利用过渡金属离子对ZnO,CdS,WO3,Fe2O3,MoSe进行掺杂改性，可以使光吸收波长范围延伸至可见光区，增加对太阳光的吸收与转化．对大多数半导体，掺杂效应受到很多因素的影响，包括掺杂元素、掺杂浓度、掺杂离子的电子结构及能级位置等，对此人们进行了大量的研究。