光催化剂的制备—开题报告

1、目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1文献综述1光催化材料发展概况1光催化材料的起源与种类 1改善光催化材料性能的主要方法 2目前光催化技术的应用3TiO2光催化材料存在的问题与展望 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2研究目的和意义5 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 3研究内容5 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 5进度计划6 HYPERLINK l book

2、mark36 o Current Document 参考文献6文献综述1.1光催化材料发展概况1.1.1光催化材料的理论基础与种类自1972年，Fujishiman等在Nature上发表的论文揭开了研究光催化技术的序幕。之后的几十年 光催化技术在光催化抗菌、光催化污水处理、太阳能光催化分解水制氢等众多领域有了深入的发展。光催 化技术以半导体的能带理论为基础。半导体的能带结构一般由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，它 们之间由禁带分开。当以能量等于或大于半导体禁带宽度的光照射时，价带电子被激发进入导带，在导带上 产生带负电的高活性电子（e -）,价带上留下带正电荷的空穴（h+），形成电子-空

3、穴对，在电场作用下分离并迁移到粒子表面。半导体光催化的基本过程可描述为：光激发诱导半导体价带电子跃迁到导带，藉此，在半导体导带 和价带中分别形成电子和空穴；电子-空穴通过晶格迁移到材料表面，该过程中电子-空穴的分离和复合相 互竞争；在材料表面的电子和空穴分别与周围反应介质发生还原和氧化反应。换言之，半导体光催化的基本过 程可简单描述为：半导体中的光生电子-空穴在晶格中分离并迁移到材料表面参与化学反应，这期间一直伴随 着电子-空穴的分离和复合的竞争过程。理想的光催化材料有如下四个基本要求2:环境友好；优异的电子-空穴分离能力；适合的能带电势， 尤其在光催化分解水的应用中，要服从产氢和产氧的能带匹

4、配原则；可见光响应能力。目前所报道的光催化材料主要集中于：1） 氧化物：以TiO2、In1-xNixTaO4等为代表2） 硫化物：CdS ZnS ZnS-CulnS2-AglnS 2、 （Agln） xZn 2- 2xS等3） 氧硫化物：Ln2Ti 2S2O5 （Ln =稀土元素）等；4） 氮化物：Ta 3N5 GeH、GaN 等；5） 氧氮化物：LaTiON、YTa5N、TaON、（GaN）（ZnO）、MTaO N （M = Ca、Sr、2 、2 2O 2、1-xx、2、Ba）等；6）氢氧化物：In（OH） 3:S ；7）磷化物：InP ；8）碳化物：SiC；9）硅化物：TiSi2。其中，氧

5、化物具有化学稳定好的优点，是研究得最充分的体系，元素周期表中所有可能作为光催化剂的简单二元金属氧化物均被涉猎到，目前研究的趋势是利用能带杂化的概念开发三元乃至多元 的金属氧化物或固溶体；硫化物由于共价性较强，容易获得窄的禁带宽度，但在光催化过程中不可避免地存在 光刻腐蚀的现象；氧硫化物的性能介于氧化物和硫化物之间；氮化物的共价性强，氧化物半导体通过氮掺 杂可明显使吸收边红移；氧氮化物性能介于氧化物和氮化物之间；其他的如氢氧化物、磷化物、碳化物和 硅化物等系列作为光催化材料的研究报道并不多见。1.1.2改善光催化材料性能的主要方法3光催化材料已经显示出了其广阔的运用前景，但光催化材料所存在的一大

6、明显不足就是对于太阳光的利 用率和转化率太低，因此，近年来许多科学家都致力于对光催化材料的改性以及光催化剂的开发。以纳米TiO2为例，纳米TiO2以其无毒，光催化活性高，稳定性高，氧化能力强，能耗低，可重复使 用等优点而成为最优良的光催化材料。但是TiO2的禁带宽度（Eg=3 .2 eV）较大，只能吸收占太阳光谱大 约4%的紫外辐射（波长=387 .5 n m），所以不能充分利用太阳能；此外，光生电子和空穴复几率很高，导致TiO 2的光生载流子利用效率低，由于存在这两个缺陷，在一定程度上制约了TiO2光催化技术的实际应用。围绕这两个关键问题，目前半导体光催化技术研究呈现两个热点：（1 ）对Ti

7、O2进行修饰改性以扩展其有效光响应范围及提高光生电子和空穴的利用效率，提高光催化反应活性。（2 ）开发新型半导体光催化剂，要求其对可见光 生电子和空穴的利用效率，提高光催化反应的活性。影响TiO2光催化反应活性的因素：1）金属沉积的影响5:常见的沉积贵金属有Pt、PTiO2的光催化性能。d、Ag、Au等，其中研究最多的是 P t/Ti O 2体系，沉积贵金属可改善光催化剂活性。贵金属沉积之所以能改善光催化剂的活性，因为金属与 Ti。2具有不同的费米能级，大多数情况下是金属的功函高于半导体的功函数，当二者接触时，电子发生转 移，从费米能级高的TiO 2转移到费米能级低的金属，直到二者 费米能级相

8、匹配。2）金属离子修饰的影响：大量研究表明，掺入金属离子可改善 从化学观点看，金属离子掺杂可能在半导体晶格中引入了缺陷位置或改变结晶度等，从而影响电子一孔穴对的 复合。3）半导体复合的影响：近年来的研究表明Ti O2-C d S、Ti O2-S n O2等二元复合半导体几乎都表现出高于单个半导体的光催化性能，如Ti O2-S n O2降解燃料的效率提高了O倍。二元复合半导体光催化活性的提高可归因于不同能级半导体之间光生载流子的运输与分离。半导体 复合是提高光催化效率的有效手段。通过半导体复合可以提高系统的电荷分离效果，扩展对光谱吸收范围。4）光敏催化剂的影响：普通粉末催化剂的量子效率不高，而纳

9、米材料在光学性能，催化性能等方面发生了变化。光生电子与空穴从相体内扩散到催化剂表面发生氧化还原反应的时间t与颗粒尺寸与如下关系：t =d2/ （ K2 D）式中：D为电子空穴扩散系数，d为半径，k为常数。可见粒径小，光生电子和空穴从TiO2体 内扩散表面的时间短，它们在TiO2体内的复合几率减小，到达表面的电子和空穴数量多，光催化活性高。Ti。2能有效的将废水中的有机物降解为Ti。?、CO2、PO43-、SO42-、NO3-、卤素离子等无机小分 子、达到完全无机化的目的。染料废水、农药废水、表面活性剂、氯代物、氟里昂、含油废水等都可以 被Ti0 2催化降解。B l a k e在一篇综述中详细罗

10、列了 3 0 0多种可被光催化的有机物。美国环保局公布的1 1 4种有机物均被证实可通过光催化氧化降解矿 化。许多无机物在Ti02表面也具有光化学活性，Mi y a k a等早在19 7 7年就用T i O2悬浮粉末光解C 2O72-还原为C r3+的研究。利用二氧化钛催化剂的强氧化还原能力，可以将污水中汞、铬、铅、以及氧化 物等降解为无毒物质。1.2目前光催化技术的应用光催化作为一种自然现象已在电化学、光化学、催化化和生物化学等领域中得到广泛的研究和应用。1 ）光催化抗菌领域：近年来，纳米材料光催化技术在太阳能光催化杀菌消毒等方面得到了快速发展。尤其是2003年春夏出现的严重急性呼吸道感染综

11、合症（SARS,使得人们对预防病菌、病 毒等微生物引起的环境健康问题展开了进一步研究，从而推进了纳米光催化抗菌杀毒技术研究的深入展开， 各种光催化抗菌制品应运而生，并获得了迅速发展。在光催化抗菌领域已有抗菌陶瓷制品、抗菌自洁玻璃制 品、抗菌纤维、抗菌不锈钢等产品的问世。2）光催化水处理领域：近年来，光催化氧化技术已成为水处理领域的研究热点之一。光催化氧化技术与半导体表面的溶解氧、水分子的基本原理是利用光敏半导体在光的照射下激发产生的“电子-空穴对”H0-,再通过H0与污等发生反应，产生氧化性极强的 染物间的加合、取代、电子转移等作用，使污染物达到完全或部分矿化，最终达到降解污染物的目的。该领域

12、 的具体应用有藻类的去除、石油的降解、洗涤剂及表面活性剂的处理等。3） 太阳能光催化分解水制氢：用402nm波长的光进行照射，光催化分解纯水的效率为0.66%。尽管这个效率不高，但能同时放出氢气和氧气，因此被誉为“利用太阳能的曙光”。4） 光催化净化空气：光催化反应对于气相挥发性有机物具有普遍较好的降解效果，同 时，光催化反应对空气中的无机污染物（NOx、CO H2S等）也有氧化去除作用。5）光催化在金属中的防腐蚀应用：金属腐蚀遍及国民经济各部门，给国家带来巨大损失。因此，积极探索材料防腐蚀新方法，做好腐蚀与防护工作具有重要的现实意义。该技术的最大特点是在常 温和常压下只利用催化剂、光、空气和

13、水就能实现的，而且从长远来看，它可以利用取之不尽的太阳光能， 因此其在腐蚀与防护领域显示出非常诱人的应用前景。日本学者Fujishima领导的研究小组在光催化Ti02防腐蚀方面做了一些开创性的工作。研究表明，Ti0 2涂层在 紫外光照下可阴极保护金属Cu、不锈钢和碳钢。随后有人报道了 Ti0 2在紫外光或丫射线的照射下可实现不锈钢的光致阴极保护。1.3 TiO 2光催化材料存在的问题与展望4由于Ti02可见光光催化剂潜在的诱人前景，人们对它进行了广泛的研究。特别是Ti02光催化剂的可见光化研究，将为人类充分利用太阳能，改善人类生活环境迈出重要的一。目前Ti02太阳光催 化技术已成为国内外研究的

14、热点方向，并取得了一定的进展。采用金属离子掺杂、非金属元素掺杂、复合半导 体、离子注入、染料光敏化等制备的Ti02都能在可见光区域内具有较好的响应，表现出可见光光催化活性，提升了Ti02光催化技术的研究价值和实用前景。但由于该技术仍处于研究初期，无论是基础研究还是应用研究都还有许多问题尚待深入研究和 解决。在基础研究方面尚存在许多值得探索的课题，即：1）对紫外光照射半导体进行光催化反应的机理已有较为系统的报道，但对各种改性方法的可见光化机 理的认识尚未统一，还存在争议；对Ti02在可见光下的抗菌性能等的研究较少。）非金属掺杂Ti0 2中，如何确定其杂质能级位置、非金属的形态及其取代类型取代或间

15、隙（晶格 取代），何种取代类型更适合光催化体系。）采用何种物质、何种方式掺杂更为有效，能否找到新的具有更好光催化效果的半导体材料替代 Ti02。）对光催化降解过程的模型与理论分析较少，缺少用数学方法建立的光催化降解模型。利用数学方法 加强理论分析，对建立污染物Ti02薄膜光催化降解模型在理论研究和应用方面具有很高的价值。）在应用研究方面，目前尚处于实验室小型研究阶段，Ti02的制备条件与大规模工业化生产还存在 一定的距离，要完全投入实际应用还需要做很多的研究工作。2研究目的和意义Ti02作为一种宽禁带半导体。性质稳定，无毒，具有高光催化活性。其以太阳能化学转化和存储为主要背景的半导体光催化特性

16、的研究始于1 9 1 7年。Ti0 2光催化环境净化技术作为探索人类可持续发展的高效环境友好新技术引起了各国环境科学家的极大关注，其实用化的研究开发也得到广泛重视，来自化学、物理、材料等领域的学者围绕太阳能的转化和储存、光化学合 成、多相催化过程的原理，致力于Ti0 2各项性能的研究，其中光催化消除和降解成为最活跃的研究方向。本文主要目的是通过金属掺杂的方法对Ti0 2进行改性，使Ti0 2的光催化效能增加。3研究内容本文主要研究的是Ti0 2光催化材料，着重研究以下内容： 1）Bi/Ti0 26、鸨掺杂Ti02粉末的制备；2 ）粉末尺寸，组分，形貌，结构的表征3）Bi/Ti0 2、鸨掺杂Ti

17、02粉末光催化效率的研究；4课题方案及论证Ti0 2光催化材料。以有机钛为原料通过溶胶-凝胶法与鸨、铋等金属掺杂，制备复合Ti0 2光催化材料。并在制备过程中探索更简便可行的工艺流程以制备尺寸、形貌、性能更佳的通过XRD TEM等设备表征粉末尺寸与形貌；光化学反应仪进行光催化实验；分光光度仪检测光催化效率。现行实验方案根据实验室现有实验设备制定，实验方案已经指导老师的论证，在现有基础上是可行的，可以开展毕业论文设计实验。进度计划2011年1月21日3月5日调研、文献检索及撰写开题报告2011年3月5日4月1日Bi/Ti02、鸨掺杂Ti02粉末的制备，表征2011 年4月10日Bi/Ti02、鸨掺杂Ti02粉末光催化效率测试;2011 年4月10日4月30日撰写并修改毕业论文2011 年4月30日5月10日论文评阅、整改2011 年5月10日5月15日答辩参考文献Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semicond