光催化材料的基本原理

1、二，光催化材料的基本原理时间：2021.03. 09创作：欧阳法半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以 此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。利 用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环 境中的有机污染物以及光解水制备H2和()2。高效光催化剂必须满足如下几个条件：(1)半导体适 当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位 必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必须 满足产H2和产()2的要求。(2)高效的电子-空穴分离 能力，降低它们的复合几率。(3)可见光响应特性： 低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的 4%,如何利用可见光乃至红外光能量，是决定光

2、催化 材料能否在得以大规模实际应用的先决条件。常规 anatase-typc Ti()2只能在紫外光响应，虽然通过搀杂 改性，其吸收边得以红移，但效果还不够理想。因此, 开发可见光响应的高效光催化材料是该领域的研究热 点。只是，现在的研究状况还不尽人意。三，光催化材料体系的研究概况从冃前的资料来看，光催化材料体系主要可以分为氧 化物，硫化物，氮化物以及磷化物氧化物：最典型的主要是Ti()2及其改性材料。冃前， 绝大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d区，研究 的比较多的是含Ti, Nb, Ta的氧化物或复合氧化物。其他的含W, Cr, Fe, Co, Ni, Zr等金属氧化物也见 报道。个人感

3、觉，d区过渡族金属元素氧化物经过炒菜 式的狂轰乱炸后，开发所谓的新体系光催化已经没有 多大潜九目前，以日本学J. Sato为代表的研究人员， 已经把目光锁定在p区元素氧化物上，如含有Gq, Ge, Sb, In, Sn, Bi元素的氧化物。硫化物：硫化物虽然有较小的禁带宽度，但容易发生 光腐蚀现象，较氧化物而言，稳定性较差。主要有Zn S , CdS 等氮化物：也有较低的带系宽度，研究得不多。有Ta /N, Nb/N等体系磷化物：研究很少，如GaP按照晶体/颗粒形貌分类：(1) 层状结构*半导体微粒柱撐于石墨及天然/人工合成的层状硅 酸盐*层状单元金属氧化物半导体如:V2O5,WO3等*钛酸，

4、視酸，钛視酸及其合成的碱(土)金属离子 可交换层状结构和半导体微粒柱撐于层间的结构 *含商层状结构材料，(Bi2()2)2+(An-lBn()3n+l)2- (A=Ba, Bi, Pb; B=Ti, Nb, W),钙钛矿层 (An-lBn()3n+l)2-夹在(Bi2()2)2+层之间。典型的有： Bi2WO6, Bi2W2()9, Bi3TiNb()9*层状袒酸盐：RbLnTa2()7(Ln=La,Pr,Nd,Sm)(2) 通道结构比较典型的为BaTi4O9, A2T16O13 (A=K, Na, Li, 等)。这类结构往往比层状结构材料具有更为优异的光 催化性能。研究认为，其性能主要归咎于

5、金属-氧多面 体中的非对称性，产生了偶极距，从而有利于电子和 空穴分离(3) 管状结构：在钛酸盐中研究较多(4) 晶须或多晶一维材料经由VLS, VS, LS (如水热合成，熔盐法)机制可制 备一维材料；液相合成中的软模化学法制备介孔结构的多晶一维材 料对于该种行貌的材料，没有迹象表明，其光催化性能 得以提高(5) 其他形状复杂的晶体或粉末颗粒最典型的是Zn()材料，根据合成方法不同，其行貌也 相当丰富四，提高光催化材料性能的途径(1) 颗粒微细纳米化降低光生电子-空穴从体内到表面的传输距离，相应的，它们被复合的几率也大大降低。(2) 过度金属掺杂和非金属掺杂金属：掺杂后形成的杂质能级可以成为

6、光生载流体的 捕获阱，延长载流子的寿命。Choi以21种金厲离子对 TiO2光催化活性的影响,表明Fe3+, Mo5+, Re5+, Ru3+, V4+, Rh3+能够提高光催化活性,其中氏3+ 的效果最好。具有闭壳层电子构型的金属离子如Li+,A13+, Mg24-, Zn2+, Ga2+, Nb5+, Sn4+对催化性影响甚微非金属：Ti()2中N, S, C, P,卤族元素等对于掺杂，个人的认识，其有如下效应：*电价效应：不同价离子的掺杂产生离子缺陷，可以 成为载流子的捕获阱，延长其寿命；并提高电导能力 *离子尺寸效应：离子尺寸的不同将使晶体结构发生 一定的畸变，晶体不对性增加，提高了光生电子-空穴 分离效果*掺杂能级：掺杂元素电负性大小的不同，带隙中形 成掺杂能级，可实现价带电子的分级跃迁，光响应红 移(3) 半导体复合利用异种半导体之间的能带结构不同，复合后，如光 生电子从A粉末表面输出，而空穴从B表面导出。也即 电子和空穴得到有效分离(4) 表面负载将半导体纳米粒子固定技术在不同的载体上(多孔玻 璃、硅石、分子筛等)制备分子或团簇尺寸的光催化 剂。(5) 表面光敏利用具有较高重态的具有可见光吸收的有机物，在可 见光激发下，电子从有机物转移到半导体粉末的导带 上。该种方法不具有实用性，一方面，有机物的稳定 性值得质疑；另一考虑的是经济因素(6)