环境光催化材料与光催化净化技术精品课件

1、环境光催化材料与光催化净化技术的 光催化基础 定义 在紫外光 可见光或红外光照射下 光催化剂吸收光后改变化学反应或初始反应的速率 并引起反应成分的化学改变 光照射 光照射 催化光反应 初始光激发在吸附分子上 敏化光反应 初始光激发在催化底物上 均相光催化在光催化分解水制氢领域中研究较多 通常是采用金属配合物为敏华剂的四组分 敏化剂 电子中继体 牺牲剂 催化剂 的制氢体系 非均相光催化多用于环境净化的光催化 因为在开放的环境体系中只有非均相体系才能有效分离固体光催化剂 在降解和消除水体或气相中有机污染物之后 维持反应器中光催化剂的浓度恒定 使得反应体系能以低成本和高效率稳定进行 半导体光催化基本原理 CB VB Eg CBBVBT h Eg CB VB Eg 电子跃迁 光生电子 空穴对 光生电子 空穴对通过静电力相互作用 电子和空穴可以通过体相复合和表面复合消失 将能量以热量或光子方式释放 光生电子和空穴初始状态是分离的 TiO2光催化有机污染物的重要步骤及其相应的特征时间 如果能带边缘位置符合某种要求时 光生电子和空穴就会与表面吸附的水或有机物发生氧化还原反应 从而产生光催化作用 多相

2、界面电子转移的驱动力是半导体能带和受体氧化还原对电位之间的能级差 光催化中电荷载流子必须先被捕获 才可能抑制复合并促进界面间的电荷转移 电子转移到分子氧的慢过程将于复合过程发生竞争 半导体光催化反应机理能带模型 A A D D hv etr O2 O2 etr H2O2 OHs OH etr R H RH htr RH R H htr H2O OHs H htr O2 1O2 半导体光催化反应机理颗粒模型 常见半导体的能带位置 二氧化钛光催化剂 二氧化钛光催化剂 TiO2涉及四种晶型 金红石 锐钛矿 板钛矿以及介稳的TiO2 B 相 其中锐钛矿和金红石是在光催化研究中最常见的两种晶型 金红石相 锐钛矿相 锐钛矿比金红石有更高的催化活性 原因有二 锐钛矿就有较大的带隙 锐钛矿对氧的吸附能力较强 影响光催化活性的内因 光激发产生的电子和空穴最主要是经历分离和复合两个互相竞争的过程 对光催化反应来说 光生电子和空穴的分离与受体或给体发生作用才是最有效的 空穴捕获剂和电子捕获剂能有效的抑制光生电子和空穴的复合 使他们各自更有效的参与目标反应 通常晶化度越高 电荷迁移速度越快 有利于提高光催化活

3、性 另外组成结构的主要多面体单元的偶极矩越大 光生载流子越易迁移 催化剂的活性越好 晶格结构 包括晶系 晶胞参数等的差异会导致晶体有不同的质量密度及电子能带结构 例如TiO2的锐钛矿晶型比金红石晶型的光催化活性高 晶格缺陷可能成为电子或空穴的捕获中心 抑制了两者的复合 以至于光催化活性有所提高 但也有的缺陷可能成为电子 空穴的复合中心而降低反应活性 对于一般的多相催化反应 在反应物充足的条件下 当催化剂表面的活性中心密度一定时 比表面积越大则活性越高 对于光催化反应 比表面积是决定反应基质吸附量的重要因素 其他因素相同时 比表面积越大 则吸附量越大 活性也越高 半导体纳米粒子比普通的粒子具有更高的光催化活性 其原因有 纳米粒子表现出显著的量子尺寸效应导带价带变成分立能级 能隙变宽 光生电子 空穴有更强的氧化还原能力 纳米粒子有非常大的比表面积表面效应使粒子表面存在大量的氧空穴 提高了光催化降解污染物的能力 半导体纳米粒子粒径小于空间电荷层厚度光生载流子可以通过简单的扩散从粒子内部迁移到离子表面与电子给体育受体发生氧化还原反应 因此粒子粒径越小 电子和空穴复合几率越小 光催化活性越高 面

4、临问题 开放体系中需兼顾有效固定化和保持高效活性 且需解决纳米粒子严重团聚的问题 光催化反应中的活性物质 空穴 H2O2 羟基自由基 OH 超氧自由基O2 单线态氧102 02以及有机物化合物自由基中间产物 空穴是光化学反应中主要的一种氧化物质 有些纳晶光催化剂表面有深和浅两种不同的捕获位存在 其中浅捕获位容易热激发回到价带 与自由空穴建立自由转化 浅捕获空穴与自由空穴具有相当的反应活性与迁移性 深捕获空穴则具有较弱的氧化能力 浅捕获空穴能迅速与表面化学吸附的物质反应 而深捕获空穴则易于和物理吸附的物质反应 反应速率较慢 空穴参与的氧化称为直接氧化 羟基自由基参与的氧化途径称为间接氧化 OH常用EPR检测 有理论认为 表面晶格氧上的捕获空穴通过亲核攻击水分子的反应机理 最后通过断裂过氧键O O产生 OH 另外分子氧或超氧自由基反应可以产生H2O2 由其相关反应也可以产生 OH自由基 超氧自由基可以用DMPO捕获并通过顺磁共振检测 超氧自由基O2 不稳定 可以通过歧化反应生成O2和H2O2 因此需要在有机溶剂如甲醇的溶液中进行捕获和检测 超氧自由基的光催化氧化反应的作用主要在于 与有机的

5、过氧自由基反应完全矿化有机污染物 歧化反应生成和H2O2 抗菌活性以及与捕获空穴反应形成另一种强氧化剂单线态氧102 4 单线态氧 单线态氧102来自于超氧自由基O2 其寿命较短 存留时间小于羟基自由基和捕获空穴 因此光催化生成的102 主要停留在TiO2表面 不能扩散到空气或水环境中 单线态氧可氧化吸附于光催化剂表面的水溶性蛋白质 环境光催化新材料的设计基础 目的 设计在可见光范围响应的高效光催化剂 基于电子能带结构设计的光催化剂 实际光催化剂电子结构更加复杂 存在缺陷或氧空位等都可产生杂质能级 使得响应波长红移 另外表面态在光电化学中存在能级固定的重要现象 以TiO2为例 掺杂后需达到的三点要求 1 2 3 掺杂 掺杂 金属掺杂 可见光响应 热和化学稳定性不高 催化效率变低 可能引入复合中心 可见光响应 阳离子形式存在 氧化性能可能下降 非金属掺杂 金属掺杂改性TiO2 金属掺杂TiO2的光催化活性影响因素非常复杂 与掺杂元素的d电子构型 掺杂物浓度 在晶格中形成的电子能级 掺杂物质的分布 电子受体浓度以及光强等因素均有关 金属修饰改性TiO2 钌 Ru 修饰的TiO2能够 1 拓

6、宽其光谱响应范围 2 修饰粒子表面缺陷 使有效光照面积减小 3 Ru3 为光生空穴的捕获剂 提高光催化活性 产生敏化作用的可见光催化 改变晶格结构 产生可见光响应 非金属修饰改性TiO2 能带调控 半导体光催化剂的研究大多以 复合 金属氧化物为对象 通常过渡金属氧化物的价带由O2p轨道构成 其势能位于较低的2 94Vvs NHE 构成价带元素 如氧 的电离势可只是价带顶位置 少量的金属d轨道参与价带形成 但因贡献很小可忽略 而导带主要有过渡金属d轨道构成 其电子亲和势可作为导带底的判据 影响能带位置的因素较复杂 还与其他条件及能带宽度等有关 抬升价带位置 降低导带位置 能带调控 引入电负性较氧低的非金属元素 引入d10电子构型的p区元素 引入d轨道部分填充的孤独元素 导带底需在H H2之上 引入电负性较大的金属元素组成导带 化合物的离子型程度越低 带隙宽度越小 基于固溶体结构设计的光催化剂 当宽带隙半导体形成固溶体时 可以制备带隙宽度连续变化的新型光催化剂 获得可见光响应的催化性能 氧化物固溶体光催化剂由于能带结构可控 是一种很有希望的响应可见光的光催化材料 两种带隙较大的半导体 形成

7、固溶体后其带隙也可能比两者都窄 如GaN和ZnO 形成固溶体的条件可以归结为 基于微观结构设计的光催化剂 基于微观机构设计的异质结 特别是p n异质结构能在太阳能电池和光解水上已有许多研究和应用 利用窄带隙半导体敏化设计复合半导体的异质结构能拓展宽带隙半导体的响应波长 而构造欧姆接触的复合半导体和纳米p n异质结新型光催化剂 能催进光生载流子的分离是设计新型光催化剂的重要途径 进一步采用设计多元复合的核壳结构策略 使得光催化效率进一步提高 表面适当的修饰能大大提高光催化活性 研究表明催化剂颗粒阶梯结构表面的光催化活性优于平坦表面 因为光生电子空穴对能更有效地迁移至表面 若在微观结构中形成短路的微型光电池系统 则能有效避免电子空穴对复合 提高光催化活性 总的看来活性较高的光催化材料一般采用三元复合 在主催化剂表面负载上一层金属盒一层金属氧化物的复合结构 构造微观的复合半导体结构 能够催进光剩载流子的有效分离 提高光催化效率 是设计高效光催化剂的重要途径 p n异质结构复合物 构筑异质结界面的目的 组合窄带隙半导体用来敏化宽带隙半导体 使得具有可见光响应的光催化性能 催进光生载流子的分离

8、发生双光子过程并显著提高光催化活性 理想的复合物体系 具有能带电位匹配的电子能带结构 界面接触应为欧姆接触 具有相当好的点子迁移能力和空穴输运性能 p n异质结构复合物 e e e e e h h h h e h e e h h h e e e e h h h h hv hv hv hv hv hv P 型n 型 P 型n 型 P 型n 型 p n异质结面有三种不同的带弯形式 光催化材料的结构表征与测试技术 能带位置和平带电位 半导体化合物的能带边氧化还原电位是半导体的重要物理性质 价带顶VBT越正 空穴的氧化能力越强 导带底CBB越负 电子的还原能力越强 通常有三种方法确定能带位置 一般n型半导体平带电位靠近导带 而p型半导体平带电位靠近价带 所以获得平带电位和带隙宽度信息 就可以确定导带边和价带边相对标准氢电极的位置 通常平带电位的测定方法有4种包括 平带电位的测定方法 光电化学方法 如开路电压法和光电流起始电压法 通常是以半导体光催化剂制备的薄膜电极作为工作电极 进行光电流和电压的测量 光谱电化学方法 这种方法需要制备透明度较好的薄膜 电化学方法 如Mott Schotty法 这种方法常用于单晶半导体的测定 对分泌多晶的测定结果不可靠 悬浮液光电压法 该方法通过测定半导体的电子准费米能级获得平带电位 不需要精密的电化学工作站 可以直接用万用电表测定 操作方便且重现性好

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