第五章过渡金属氧化物催化剂(一)-半导体理论.ppt

过渡金属半导体氧化物催化剂金属氧化物中缺陷和半导体性质金属氧化物中缺陷和半导体性质Ø满带：凡是能被子电子完全充满的能带叫满满带：凡是能被子电子完全充满的能带叫满带Ø导带：凡是能带没有完全被电子充满的导带：凡是能带没有完全被电子充满的Ø空带：根本没有填充电子的能带空带：根本没有填充电子的能带本征半导体、n型半导体、P型半导体N型半导体和型半导体和p型半导体的形成型半导体的形成Ø当金属氧化物是非化学计量，或引入杂质离子或原当金属氧化物是非化学计量，或引入杂质离子或原子可产生子可产生n型、型、p型半导体型半导体Ø杂质是以原子、离子或集团分布在金属氧化物晶体杂质是以原子、离子或集团分布在金属氧化物晶体中，存在于晶格表面或晶格交界处这些杂质可引中，存在于晶格表面或晶格交界处这些杂质可引起半导体禁带中出现杂质能级起半导体禁带中出现杂质能级Ø如果能级出现在靠近半导体导带下部称为施主能级如果能级出现在靠近半导体导带下部称为施主能级施主能的电子容易激发到导带中产生自由电子导电施主能的电子容易激发到导带中产生自由电子导电这种半导体称为这种半导体称为n型半导体型半导体Ø如果出现的杂质能级靠近满带上部称为受主能级。

如果出现的杂质能级靠近满带上部称为受主能级在受主能级上有空穴存在很容易接受满带中的跃在受主能级上有空穴存在很容易接受满带中的跃迁的电子使满带产生正电空穴关进行空穴导电，这迁的电子使满带产生正电空穴关进行空穴导电，这种半导体称为种半导体称为p型半导体型半导体n型半导体与p型半导体的生成n型半导体生成条件型半导体生成条件ØA））非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成低价离子可生成n型半导体型半导体ØB））氧缺位氧缺位ØC））高价离子取代晶格中的正离子高价离子取代晶格中的正离子ØD））引入电负性小的原子引入电负性小的原子P型半导体生成条件型半导体生成条件A））非化学计量比氧化物中出现正离子缺位非化学计量比氧化物中出现正离子缺位B））用低价正电离子取代晶格中正离子用低价正电离子取代晶格中正离子C））向晶格掺入电负性在的间隙原子向晶格掺入电负性在的间隙原子半导体导电性影响因素Ø温度升高，提高施主能级位置，增加施主杂温度升高，提高施主能级位置，增加施主杂质浓度可提高质浓度可提高n型半导体的导电性型半导体的导电性Ø温度升高，降低受主能级位置或增加受主杂温度升高，降低受主能级位置或增加受主杂质浓度都可以提高质浓度都可以提高p型半导体的导电能力。

型半导体的导电能力Ø催化剂制备上措施：晶体缺陷，掺杂，通过催化剂制备上措施：晶体缺陷，掺杂，通过杂质能级来改善催化性能杂质能级来改善催化性能杂质对半导体催化剂的影响 Ø1、对、对n型半导体型半导体A））加入施主型杂质，加入施主型杂质，EF↗ ↗ΦΦ↘↘导电率导电率↗ ↗B））加入受主杂质，加入受主杂质， EF ↘↘ Φ Φ ↗ ↗导电率导电率↘↘Ø2 2、对、对p p型半导体型半导体A A））加入施主型杂质加入施主型杂质EF↗ ↗ΦΦ↘↘导电率导电率↘↘B B））加入受主型杂质加入受主型杂质EF ↘↘ Φ Φ ↗ ↗导电率导电率↗ ↗半导体催化剂化学吸附与催化作用1、化学吸附、化学吸附A））受电子气体吸附（以受电子气体吸附（以O2为例）为例）（（1）在）在n型半导体上吸附型半导体上吸附 O2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使导带中自由电子减少，导电率下降另而使导带中自由电子减少，导电率下降另一方面在表面形成的负电层不利于电子进一一方面在表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果是氧在表面吸附是有限的步转移，结果是氧在表面吸附是有限的（（2））p型半导体上吸附型半导体上吸附 O2相当于受主杂质，可接受满带的电子增加相当于受主杂质，可接受满带的电子增加满带空穴量，随氧压的增加导电率增大，由满带空穴量，随氧压的增加导电率增大，由于满带中有大量电子，因此吸附可一直进行，于满带中有大量电子，因此吸附可一直进行，表面吸附氧浓度较高。

表面吸附氧浓度较高B)对于施电子气体吸附（以对于施电子气体吸附（以H2为例）为例）Ø对于对于H2来说，不论在来说，不论在n型还是型还是p型氧化物上以型氧化物上以正离子正离子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主作用起施主作用吸附气体半导体类型吸附物种吸附剂吸附位EFφ导电率受电子气 体（O2）N型V2O5）O2→O2-O-,O22-,O2-V4+→V5+负离子吸附在高价金属上  ↘ ↘  ↗ ↗  ↘ ↘ P型Cu2OO2→O2-O-,O22-,O2-Cu+→Cu2+负离子吸附在高价金属上↘ ↘↗ ↗↗ ↗施电子气 体（H2）N型ZnO1/2H2→H+Zn2+→Zn+正离子气体吸附在低价金属离子上↗ ↗↘ ↘↗ ↗ P型NiO1/2H2→H+Ni3+→Ni2+正离子气体吸附在低价金属离子上↗ ↗↘ ↘↘ ↘半导体氧化物催化机理举例：CO在NiO上氧化反应ØCO+1/2O2=CO2 △△H=272KJ/mol（（1））O2在在NiO上发生吸附时，电导率由上发生吸附时，电导率由10-11欧姆欧姆-1厘米厘米-1上升为上升为10-7欧姆欧姆-1厘米厘米-1 。

2）测得）测得O2转为转为O-吸吸kJ/mol，，（（3）测得）测得CO在在NiOKJ/mol，，而在已经吸附了而在已经吸附了O2的的催化剂表面微分吸附热是催化剂表面微分吸附热是293KJ/mol 这表明这表明CO与与NiO吸附不是一般的化学吸附而是化吸附不是一般的化学吸附而是化学反应CO在NiO上催化氧化反应机理（（1））Ni 2+ +1/2O2→+Ni 3+ O -吸吸（（2））O -吸吸+Ni 3++CO（（g））→CO2（（吸）吸）+Ni 2+（（3））CO2（（吸）吸） →CO2（（g））总式：总式：CO+1/2O2 →CO2。