光电催化-课件

光电催化光电催化1主要内容：光电催化的原理光电催化的影响因素光电催化的应用存在的问题光电催化处理污染物的展望2主要内容：光电催化的原理2光电催化原理

必要条件:

光——吸收光或紫外光催化剂——TiO2以其活性高、化学稳定性好、低廉无毒、持续性长、反应条件温和、降解速度快、催化效率高及具有超亲水性等特点倍受人们青睐，成为当前最有应用潜力的一种光催化剂，在半导体的光催化研究中以其最为活跃。光催化的原理3光电催化原理必要条件:光催化的原理3导带禁带价带e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-h+h+h+h+h+h+h+紫外线照射吸附（O2）还原（·O2-）吸附(污染物)氧化(污染物)吸附（H2O）氧化为(·OH)电子能量4导带禁带价带e-e-e-e

羟基自由基(·0H)，超氧离子自由基(·02-)及·0H2自由基具有很强的氧化能力，很容易将各种污染物物直接氧化为CO2，H2O等无机小分子。5羟基自由基(·0H)，超氧离子自由基(·02-)及·0H光催化剂有一个致命的弱点，即光生空穴一电子对的复合率较高

光电催化——即电场协助光催化技术（协同作用）提高光催化效率的关键在于减少光生空穴与电子的复合几率

光电结合催化6光催化剂有一个致命的弱点，即光生空穴一电子对的复合率较高

光不同反应类型的降解率比较图引自：彭康华，潘湛昌，等.两种载体上的光电催化降解气相环已烷的研究[J].材料导报.2007.21(10):1427不同反应类型的降解率比较图引自：彭康华，潘湛昌，等.两种载体

光电催化装置示意图半导体氧化物薄膜作为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极构成光电化学电池

TiO2hvCBVB+—e-e-h+OH-·OHO2·O2-薄膜电极铂电极8光电催化装置示意图TiO2hvCBVB+大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静9大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静9由此得出光电催化的必要条件:光——多用紫外线电——电极构成光化学电池催化剂——多用二氧化钛空气——提供氧气10由此得出光电催化的必要条件:10与光催化相比的优势

TiO2光电组合效应把导带电子的还原过程同价带空穴的氧化过程从空间位置上分开(与半导体微粒相比较)明显地减少了电子和空穴的复合，结果大大增加了半导体表面·OH的生成效率防止了氧化中间产物在阴极上的再还原导带电子能被引到阴极还原水中的H+，因此不需要向系统内鼓入作为电子俘获剂的O2

11与光催化相比的优势111212光电催化的影响因素催化剂的粒径溶液电导率的影响溶液初始pH的影响外加偏电压的影响光源与光强的影响温度的影响13光电催化的影响因素催化剂的粒径13催化剂的粒径粒子越小单位质量粒子数目越多光吸附效率就越高，光吸收不易饱和体系的比表面大也有助于有机物的预吸附，反应速率和效率就大;粒径越小光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短电子与空穴分离的效果越好光催化活性就越高.14催化剂的粒径粒子越小单位质量粒子数目越多光吸附

粒径也不是越小越好：粒径降低到一定程度，比表面积急剧增加，导致表面电子和空穴复合几率提高。而且粒径的过分减小，量子尺寸效应显著，禁带变宽，可利用的光的波长范围减小，导致可吸收的光子减少，迁移到表面的光生空穴一电子对减少，从而光催化效果降低。因而光催化剂的粒径也有一个最佳值。15粒径也不是越小越好：15溶液初始pH的影响

溶液的PH对光催化反应有较大影响，主要是因为溶液的pH不同，改变了半导体光透电极与电解质溶液界面的电荷性质，进而影响了半导体光透电极对有机物的吸附。

16溶液初始pH的影响溶液的PH对光催化反应有较大影响，主要

外加偏电压的影响

外加电压达到一定值时，光生载流子已达到充分分离，形成饱和光电流。因此，在光电流接近饱和状态时，继续增大电压对光催化反应速率提高幅度不大;

相反，随着电压的升高，光电流效率反而下降。17

外加偏电压的影响外加电压达到一定值时，光生载流子已达到光源与光强的影响

半导体光催化的机理是半导体在光照射下电子激发跃迁。因此，用于激发的电子能量必须大于半导体的禁带宽度才能完成电子激发，因此，理论上太阳光也可以作为光源。目前的研究大部分只局限于紫外光部分，一般都采用紫外光强度较大的中、高压汞灯或氨灯、黑光灯、紫外线杀菌灯等。由于到达地面的太阳光有1%的光波长在300一380nm范围内，可被吸收而激活催化，因此，理论上太阳光也可以作为光源。目前，国内外的学者对直接利用太阳能光催化的研究正在深入广泛地进行。18光源与光强的影响半导体光催化的机理是半导体在光照射下电子TiO2光电催化在环境保护方面的应用

光电催化是在开发利用太阳能的光电化学电池的过程中迅速发展起来的。

1972年,A.Fujishima和K.Honda在n型半导体TiO2电极上发现了水的光电催化分解作用,从此开始了多相催化研究的新纪元。光电催化的前期研究大多限于太阳能的转换和储存(光解水制氢)。

20世纪80年代以来,TiO2多相光催化在环境保护领域内对水和气相有机、无机污染物的去除方面取得了较大进展。长期的研究表明,光催化方法能将多种有机污染物彻底矿化去除,为各种有机污染物和还原性的无机污染物,特别是生物难降解的有毒有害物质的去除,提供了一种被认为是极具前途的环境污染深度净化技术。19TiO2光电催化在环境保护方面的应用光电催化是在开发利用光电催化在水处理中的应用

对水中污染物催化降解效果：凡是能利用光催化降解有机物，采用光电催化后其反应效率均有较大提高。大量研究发现，采用光电催化技术能将水中有毒有机污染物，如：染料、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类等进行有效脱色、降解、矿化，最终分解为二氧化碳、水和无机盐。从而消除对环境的污染，光电催化能有效地将有机物完全矿化为二氧化碳和水。20光电催化在水处理中的应用对水中污染物催化降解效果：202121存在的问题

多数研究限于实验室研究，所使用电极面积较小，与实际废水处理应用仍有较大的距离将实验室基础研究与工程应用相结合，是光电催化技术继续发展的必然趋势。在光电催化研究中，光电反应的特性研究及设计.催化剂活性的提高是一个尚待解决的问题。如果能将催化剂活性改善，使它在较长的波长(可见光范围)里得到激化，那么我们就可以利用太阳能来处理各种难降解的污水22存在的问题多数研究限于实验室研究，所使用电极面积较小，与2323光电催化在气体污染物处理中的应用

二氧化钛半导体是一种得到广泛应用的光催化材料，由于高效、无二次污染等优良特性，利用其进行催化氧化降解空气中有机污染物的多相光催化过程已日益受到人们重视.但是，光催化中光生空穴一电子对的简单复合将造成降解效率低，成为制约光催化应用的关键.潘湛昌等提出用光电催化氧化降解气相有机污染物以降低光生空穴与电子的复合率。以环己烷为目标污染物，采用活性碳/石墨和泡沫镍作TiO2的载体，形成微孔电极，用高聚物固体电解质Nafion分隔阴、阳两极，组成新型气相光电催化氧化反应系统。利用外加电压的作用，有效地解决了TiO2半导体光生电荷简单复合的问题。24光电催化在气体污染物处理中的应用二氧化钛半导体是一种得到光电催化光电催化25主要内容：光电催化的原理光电催化的影响因素光电催化的应用存在的问题光电催化处理污染物的展望26主要内容：光电催化的原理2光电催化原理

必要条件:

光——吸收光或紫外光催化剂——TiO2以其活性高、化学稳定性好、低廉无毒、持续性长、反应条件温和、降解速度快、催化效率高及具有超亲水性等特点倍受人们青睐，成为当前最有应用潜力的一种光催化剂，在半导体的光催化研究中以其最为活跃。光催化的原理27光电催化原理必要条件:光催化的原理3导带禁带价带e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-h+h+h+h+h+h+h+紫外线照射吸附（O2）还原（·O2-）吸附(污染物)氧化(污染物)吸附（H2O）氧化为(·OH)电子能量28导带禁带价带e-e-e-e

羟基自由基(·0H)，超氧离子自由基(·02-)及·0H2自由基具有很强的氧化能力，很容易将各种污染物物直接氧化为CO2，H2O等无机小分子。29羟基自由基(·0H)，超氧离子自由基(·02-)及·0H光催化剂有一个致命的弱点，即光生空穴一电子对的复合率较高

光电催化——即电场协助光催化技术（协同作用）提高光催化效率的关键在于减少光生空穴与电子的复合几率

光电结合催化30光催化剂有一个致命的弱点，即光生空穴一电子对的复合率较高

光不同反应类型的降解率比较图引自：彭康华，潘湛昌，等.两种载体上的光电催化降解气相环已烷的研究[J].材料导报.2007.21(10):14231不同反应类型的降解率比较图引自：彭康华，潘湛昌，等.两种载体

光电催化装置示意图半导体氧化物薄膜作为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极构成光电化学电池

TiO2hvCBVB+—e-e-h+OH-·OHO2·O2-薄膜电极铂电极32光电催化装置示意图TiO2hvCBVB+大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静33大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静9由此得出光电催化的必要条件:光——多用紫外线电——电极构成光化学电池催化剂——多用二氧化钛空气——提供氧气34由此得出光电催化的必要条件:10与光催化相比的优势

TiO2光电组合效应把导带电子的还原过程同价带空穴的氧化过程从空间位置上分开(与半导体微粒相比较)明显地减少了电子和空穴的复合，结果大大增加了半导体表面·OH的生成效率防止了氧化中间产物在阴极上的再还原导带电子能被引到阴极还原水中的H+，因此不需要向系统内鼓入作为电子俘获剂的O2

35与光催化相比的优势113612光电催化的影响因素催化剂的粒径溶液电导率的影响溶液初始pH的影响外加偏电压的影响光源与光强的影响温度的影响37光电催化的影响因素催化剂的粒径13催化剂的粒径粒子越小单位质量粒子数目越多光吸附效率就越高，光吸收不易饱和体系的比表面大也有助于有机物的预吸附，反应速率和效率就大;粒径越小光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短电子与空穴分离的效果越好光催化活性就越高.38催化剂的粒径粒子越小单位质量粒子数目越多光吸附

粒径也不是越小越好：粒径降低到一定程度，比表面积急剧增加，导致表面电子和空穴复合几率提高。而且粒径的过分减小，量子尺寸效应显著，禁带变宽，可利用的光的波长范围减小，导致可吸收的光子减少，迁移到表面的光生空穴一电子对减少，从而光催化效果降低。因而光催化剂的粒径也有一个最佳值。39粒径也不是越小越好：15溶液初始pH的影响

溶液的PH对光催化反应有较大影响，主要是因为溶液的pH不同，改变了半导体光透电极与电解质溶液界面的电荷性质，进而影响了半导体光透电极对有机物的吸附。

40溶液初始pH的影响溶液的PH对光催化反应有较大影响，主要

外加偏电压的影响

外加电压达到一定值时，光生载流子已达到充分分离，形成饱和光电流。因此，在光电流接近饱和状态时，继续增大电压对光催化反应速率提高幅度不大;

相反，随着电压的升高，光电流效率反而下降。41

外加偏电压的影响外加电压达到一定值时，光生载流子已达到光源与光强的影响

半导体光催化的机理是半导体在光照射下电子激发跃迁。因此，用于激发的电子能量必须大于半导体的禁带宽度才能完成电子激发，因此，理论上太阳光也可以作为光源。目前的研究大部分只局限于紫外光部分，一般都采用紫外光强度较大的中、高压汞灯或氨灯、黑光灯、紫外线杀菌灯等。由于到达地面的太阳光有1%的光波长在300一380nm范围内，可被吸收而激活催化，因此，理论上太阳光也可以作为光源。目前，国内外的学者对直接利用太阳能光催化的研究正在深入广泛地进行。42光源与光强的影响半导体光催化的机理是半导体在光照射下电子TiO2光电催化在环境保护方面的应用

光电催化是在开发利用太阳能的光电化学电池的过程中迅速发展起来的。

1972年,A.Fujishima和K.Honda在n型半导体TiO2电极上发现了水的光电催化分解作用,从此开始了多相催化研究的新纪元。光电催化的前期研究大多限于太阳能的转换和储存(光解水制氢)。

20世纪80年代以来,TiO2多相光催化在环境保护领域内对水和气相有机、无机污染物的去除方面取得了较大进展。长期的研究表明,光催化方法能将多种有机污染物彻底矿化去除,为各种有机污染物和还原性的无机污染物,特别是生物难降解的有毒有害物质的去除,提供了一种被认为是极具前途的环境污染深度净化技术。43TiO2光电催化在环境保护方面的应用光电催化是在开发利用光电催化在水处理中的应用

对水中污染物催化降解效果：凡是能利用光催化降解有机物，采用光电催化后其反应效率均有较大提高。大量研究发现，采用光电催化技术能将水中有毒有机污染物，如：染料、硝基芳烃、取代苯胺