纳米二氧化钛光催化材料ppt课件
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光催化材料 ppt课件
12
PPT课件
常见半导体材料的能带结构
Evs.SHE(pH=0)/eV
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)
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羟基自由基（ HO . ）
电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的超氧离子自由基等(.O2-, HO . 等)
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
11
PPT课件
光催化的机理
可以想象一下，在分子的周围，形成了大量的光致电子和 光致空穴，在光的照射下，他们不断产生，又不断复合， 但是从宏观的角度看，在某一时刻，总是有大量的来不及 复合的电子和空穴的存在，他们不断的寻找自己的猎物。
化学气相沉积法
化学气相沉积法（CVD）利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生 成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈球形， 单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。
该过程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要解决粉 体的收集和存放问题.
21
PPT课件
光催化材料TiO2制备方法
纳米TiO2光催化剂的负载
由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使 用和回收不便的问题，在实际的应用中 很难利用，因此需要对TiO2进行负载， 以便在实际中得到很好的应用。 研究 人员采用浸渍法、层层组装的方法对纳 米TiO2进行了负载，分别在石棉绳、 玻璃纤维、沸石、分子筛上进行了负载， 得到了较好的结果。
PPT课件
常见半导体材料的能带结构
Evs.SHE(pH=0)/eV
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)
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羟基自由基（ HO . ）
电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的超氧离子自由基等(.O2-, HO . 等)
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
11
PPT课件
光催化的机理
可以想象一下，在分子的周围，形成了大量的光致电子和 光致空穴，在光的照射下，他们不断产生，又不断复合， 但是从宏观的角度看，在某一时刻，总是有大量的来不及 复合的电子和空穴的存在，他们不断的寻找自己的猎物。
化学气相沉积法
化学气相沉积法（CVD）利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生 成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈球形， 单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。
该过程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要解决粉 体的收集和存放问题.
21
PPT课件
光催化材料TiO2制备方法
纳米TiO2光催化剂的负载
由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使 用和回收不便的问题，在实际的应用中 很难利用，因此需要对TiO2进行负载， 以便在实际中得到很好的应用。 研究 人员采用浸渍法、层层组装的方法对纳 米TiO2进行了负载，分别在石棉绳、 玻璃纤维、沸石、分子筛上进行了负载， 得到了较好的结果。
光催化ppt
主要工艺流程
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
不同烧结温度无掺杂复合催化剂光催化图
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
不同烧结温度 N 掺杂复合催化剂光催化图
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
不同烧结温度 C 掺杂复合催化剂光催化图
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
根据上图可以发现掺C的催化剂催化效率最好，其 次是无掺杂，最后是N掺杂。对于同种掺杂催化剂， 不同温度下热处理其催化效果也不同。很明显450 摄氏度是最适宜温度。结合XRD图可发现锐钛矿这 种晶型结构催化效果强于金红石结构。
不同焙烧温度下纳米二氧化钛的XRD谱图
负载纳米二氧化钛SEM图
经改性后的纳米碳管接触水蒸气后与TiCL4反应。10分钟后取样。 如图为钴作为催化剂生长的CNTs经改性后，再经原位化学反应复合 的纳米二氧化钛的SEM图，可观察到纳米二氧化钛颗粒大小为50nn~
Source：IEF
TiO2的应用
其他
TiO2
钛白粉
光催化
TiO2光催化所需条件
条
纳米结构 锐钛矿相 金红石相
件
试验室设备
微波等离子体化学气相沉积装置示意图
1微波源；2频率调谐器；3天线；4等离子体；5石英钟罩； 6进气孔；7真空计；8基底支架；9真空泵。
金红石相纳米TiO2的光催化
纳米TiO 纳米TiO2掺杂
金红石相纳米TiO2的XRD图
由图明显可以看出钛铁矿的峰值在不断下降，而TiO2峰值在不断升高变得明显； 在600W的微波功率下钛铁矿的转化率很高，且随着时间的增加，TiO2的相对 含量增加，钛铁矿的相对含量明显减少；说明随着时间的增加，钛铁矿不断的 向TiO2转变。
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
不同烧结温度无掺杂复合催化剂光催化图
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
不同烧结温度 N 掺杂复合催化剂光催化图
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
不同烧结温度 C 掺杂复合催化剂光催化图
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
根据上图可以发现掺C的催化剂催化效率最好，其 次是无掺杂，最后是N掺杂。对于同种掺杂催化剂， 不同温度下热处理其催化效果也不同。很明显450 摄氏度是最适宜温度。结合XRD图可发现锐钛矿这 种晶型结构催化效果强于金红石结构。
不同焙烧温度下纳米二氧化钛的XRD谱图
负载纳米二氧化钛SEM图
经改性后的纳米碳管接触水蒸气后与TiCL4反应。10分钟后取样。 如图为钴作为催化剂生长的CNTs经改性后，再经原位化学反应复合 的纳米二氧化钛的SEM图，可观察到纳米二氧化钛颗粒大小为50nn~
Source：IEF
TiO2的应用
其他
TiO2
钛白粉
光催化
TiO2光催化所需条件
条
纳米结构 锐钛矿相 金红石相
件
试验室设备
微波等离子体化学气相沉积装置示意图
1微波源；2频率调谐器；3天线；4等离子体；5石英钟罩； 6进气孔；7真空计；8基底支架；9真空泵。
金红石相纳米TiO2的光催化
纳米TiO 纳米TiO2掺杂
金红石相纳米TiO2的XRD图
由图明显可以看出钛铁矿的峰值在不断下降，而TiO2峰值在不断升高变得明显； 在600W的微波功率下钛铁矿的转化率很高，且随着时间的增加，TiO2的相对 含量增加，钛铁矿的相对含量明显减少；说明随着时间的增加，钛铁矿不断的 向TiO2转变。
锐钛矿相纳米TiO2的光催化
光催化课件：第五章 纳米氧化钛光催化活性
有重要影响，而且一般认为吸附量大， 底物的吸附量对光催化反应有重要影响，而且一般认为吸附量大， 降解快；但也不全是如此。 降解快；但也不全是如此。 另外，由于光催化反应，催化剂表面及底物、中间产物浓度的变化， 另外，由于光催化反应，催化剂表面及底物、中间产物浓度的变化， 使光照前后的吸附量有变化，但似乎还未发现较好的规律。 使光照前后的吸附量有变化，但似乎还未发现较好的规律。 粒径减少，吸附量明显增大。 粒径减少，吸附量明显增大。 （3）晶粒尺寸对能隙的影响 ） 半导体TiO2的能隙，随晶粒尺寸减少而增大的程度不如 的能隙，随晶粒尺寸减少而增大的程度不如CdS、CdSe 半导体 、 那样显著。 胶体的紫外－可见吸收光谱， 或ZnS那样显著。通过测定 那样显著 通过测定TiO2胶体的紫外－可见吸收光谱，可以测定 吸收带边界；对于粉体样品，则要测定漫反射光谱。 吸收带边界；对于粉体样品，则要测定漫反射光谱。 同尺寸的锐钛矿相和金红石相氧化钛纳米晶相比， 同尺寸的锐钛矿相和金红石相氧化钛纳米晶相比，金红石的纳米晶 尺寸效应更加明显，可能与介电常数有关。 尺寸效应更加明显，可能与介电常数有关。 晶粒尺寸小于10nm的TiO2纳米晶显示尺寸效应，其能隙随着晶粒尺 纳米晶显示尺寸效应， 晶粒尺寸小于 的 寸的减少而增大。因此可通过调控晶粒尺寸得到不同能隙的光催化剂。 寸的减少而增大。因此可通过调控晶粒尺寸得到不同能隙的光催化剂。 但能隙增大后， 但能隙增大后，常用的 中压或高压汞灯就不足以激发这种超细氧化钛纳 米晶了。 米晶了。
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。
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TiO2光催化材料(讲)
当溶液pH值较低时，TiO2表面质子化，带正电 荷，有利于光生电子向表面迁移
当溶液pH值较高时，由于OH-的存在，TiO2表 面带负电荷，有利于光生空穴向表面迁移
温度的影响
1.当氧的分压较高（如PO2=101325Pa），底物S的浓度较低 时，温度对催化剂表面氧的吸附数量影响不大，温度效应取决 于温度对有机物氧化速率的影响。
纳米TiO2作为隐形材料的应用
由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米 微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大 减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号 变得很微弱； 另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4 个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多， 这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低。
3.在结晶过程中锐钛矿晶粒通常具有较小的尺寸及较大的 比表面积，对光催反应有利
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，影响其光催化活性的表面性质如下：
1表面积， 尤其是充分 接受光照的 表面积
2.表面对光 子的吸收能 力
3.表面对光 生电子和空 穴捕获并使 其有效分离 的能力
纳米级TiO2
小结：
相关研究通过对各种方法制备出的纳米TiO2进行
对比发现，采用溶胶凝胶法制备的纳米TiO2具有粒径
小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性
好，产率较高等优点，是一种非常具有发展潜力的
合成方法。
纳米TiO2光催化剂的负载
由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使用和回收
不便的问题，在实际的应用中很难利用，因此需要
Intensity/a.u.
50
光催化剂纳米二氧化钛
光催化技术发展概况
• 1972年，Fujishima在n-型半导体 年 在 型半导体TiO2电极上发现了水的光 电极上发现了水的光 型半导体 催化分解作用，从而开辟了半导体光催化这一领域。 催化分解作用，从而开辟了半导体光催化这一领域。 • 1977年，Yokota T等发现在光照条件下， TiO2对丙烯环氧 年 等发现在光照条件下， 等发现在光照条件下 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， 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新思路。 机物氧化反应提供了新思路。 近十年来，光催化技术环保、卫生保健、 近十年来，光催化技术环保、卫生保健、自洁净等方面的 应用研究发展迅速， 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。 究领域之一。
1.3 TiO2光催化剂的制备
2. TiO2光催化原理
半导体能带结构
半导体存在一系列的满带， 半导体存在一系列的满带，最上面的满带称 为价带（valence band，VB）；存在一系列 为价带（ band，VB）；存在一系列 ）； 的空带,最下面的空带成为导带（ 的空带,最下面的空带成为导带（conduction band，CB）；价带和导带之间为禁带。 ）；价带和导带之间为禁带 band，CB）；价带和导带之间为禁带。 当用能量等于或大于禁带宽度（Eg） 当用能量等于或大于禁带宽度（Eg）的光照 射时， 射时，半导体价带上的电子可被激发跃迁到 导带， 产生相应的空穴， 导带，同时在价带 产生相应的空穴，这样 就在半导体内部生成电子（ 空穴（ 就在半导体内部生成电子（e－）-空穴（h＋） 对。
TiO2光催化反应步骤 TiO2光催化反应步骤
价带空穴诱发氧化反应
H+VB
纳米氧化钛光催化材料及应用28页PPT
纳米氧化钛光催化材料及应用
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，于我若 Nhomakorabea浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
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风
景
澈
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7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
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嗟
身
后
名
，于我若 Nhomakorabea浮
烟
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9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
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傲
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之
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安
。
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
光催化剂二氧化钛.PPT文档24页
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
24
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
光催化剂二氧化钛.
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
纳米二氧化钛光催化材料
Si
1.1
ZnO
3.2
TiO2（Rutile)
3.0
TiO2(Anatase)
3.2
WO3
2.7
CdS
2.4
ZnS
3.7
SnO2
3.8
SiC
3.0
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
01
04
02
05
07
08
添加标题
hv
添加标题
复合
添加标题
H+VB
添加标题
价带空穴诱发氧化反应
添加标题
导带电子诱发还原反应
添加标题
捕获导带电子生成Ti3+
03
06
09
添加标题
CB
敏化剂激发后电子转移
电子转移给受体
催化剂再生
表面还原处理
对于TiO2光催化反应，电子向分子氧的转移是光催化氧化反应的速度限制步骤，故表面Ti3+数量越多，越有利于电子向分子氧的转移。
另一方面，在TiO2表面，Ti3+通过吸附分子氧，也形成了捕获光生电子的部位
一方面，随着TiO2表面Ti3+位的增多，TiO2的费米能级升高，界面势垒增大，减少了电子在表面的积累及与空穴的进一步复合
半导体禁带明显变宽，电子—空穴对的氧化能力增强 半导体电荷迁移速率增加，电子与空穴的复合几率降低 活性增大
催化剂颗粒直径的影响
当粒径在1~10nm级时会产生量子效应
添加标题
添加标题
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添加标题
温度的影响
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\03_02_08_1.Mpeg.swf桌面\03_02_08_1.Mpeg.swf
1.1
ZnO
3.2
TiO2（Rutile)
3.0
TiO2(Anatase)
3.2
WO3
2.7
CdS
2.4
ZnS
3.7
SnO2
3.8
SiC
3.0
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
01
04
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hv
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复合
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H+VB
添加标题
价带空穴诱发氧化反应
添加标题
导带电子诱发还原反应
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捕获导带电子生成Ti3+
03
06
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CB
敏化剂激发后电子转移
电子转移给受体
催化剂再生
表面还原处理
对于TiO2光催化反应，电子向分子氧的转移是光催化氧化反应的速度限制步骤，故表面Ti3+数量越多，越有利于电子向分子氧的转移。
另一方面，在TiO2表面，Ti3+通过吸附分子氧，也形成了捕获光生电子的部位
一方面，随着TiO2表面Ti3+位的增多，TiO2的费米能级升高，界面势垒增大，减少了电子在表面的积累及与空穴的进一步复合
半导体禁带明显变宽，电子—空穴对的氧化能力增强 半导体电荷迁移速率增加，电子与空穴的复合几率降低 活性增大
催化剂颗粒直径的影响
当粒径在1~10nm级时会产生量子效应
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温度的影响
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PN节
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_09_1.swf桌面\03_02_09_1.swf C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_09_2.swf桌面\03_02_09_2.swf
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
H+VB
hv
TiO2
复 合
3.2 3.6
3.8
-1 ENHE
CdS
ZnO
TiO2 SrTiO3
0
Fe2O3
WO3
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
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桌面 \03_02_08_1.Mpeg.swf
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。
.
➢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
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
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。
.
➢ 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。
Lengths of Ti-O bond Eg/eV
/nm
anatase 3.84 Tetragonal 5.27 9.37 0.195 3.2 system
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
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
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
.
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
photocatalyst Ebg（eV）
Si
1.1
ZnO
3.2
TiO2（Rutile)
3.0
TiO2(Anatase)
3.2
WO3 ZnS SiC Fe2O3
2.7
CdS
2.4
3.7
SnO2
3.8
3.0
CdSe
1.7
2.2
α-Fe2O3
3.1
金属硫化物在水溶液中不稳定， 铁的氧化物会发生阴极光腐蚀 会发生阳极光腐蚀，且有毒！
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。
.
➢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
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）
.
➢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
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
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_09_1.swf桌面\03_02_09_1.swf C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \03_02_09_2.swf桌面\03_02_09_2.swf
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
H+VB
hv
TiO2
复 合
3.2 3.6
3.8
-1 ENHE
CdS
ZnO
TiO2 SrTiO3
0
Fe2O3
WO3
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
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桌面 \03_02_08_1.Mpeg.swf
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。
.
➢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
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
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。
.
➢ 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。
Lengths of Ti-O bond Eg/eV
/nm
anatase 3.84 Tetragonal 5.27 9.37 0.195 3.2 system
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
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
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
.
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
photocatalyst Ebg（eV）
Si
1.1
ZnO
3.2
TiO2（Rutile)
3.0
TiO2(Anatase)
3.2
WO3 ZnS SiC Fe2O3
2.7
CdS
2.4
3.7
SnO2
3.8
3.0
CdSe
1.7
2.2
α-Fe2O3
3.1
金属硫化物在水溶液中不稳定， 铁的氧化物会发生阴极光腐蚀 会发生阳极光腐蚀，且有毒！
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。
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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 .
➢光生电子—空穴对的氧化还原机理
.
➢TiO2光催化主要反应步骤
被广泛的应用。
纳米TiO2粉体
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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）
.
➢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
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