光催化降解小分子有机污染物甲醛的研究

工业催化原理

Catalysisinindustrialprocesses厦门大学化学化工学院化工系第一页，共四十九页。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满带：凡是能被子电子完全充满的能带叫满带。导带：凡是能带没有完全被电子充满的。空带：根本没有填充电子的能带。禁带：在导带（空带）和满带之间没有能级不能填充电子这个区间叫禁带。半导体的禁带宽度一般在0.2-3eV。第二页，共四十九页。第三页，共四十九页。第四页，共四十九页。本征半导体、n型半导体、P型半导体N型半导体和p型半导体的形成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n型、p型半导体。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。这些杂质可引起半导体禁带中出现杂质能级。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。这种半导体称为n型半导体。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p型半导体。第五页，共四十九页。半导体费米能级与逸出功的关系第六页，共四十九页。n型半导体与p型半导体的生成n型半导体生成条件A）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n型半导体。B）氧缺位C）高价离子取代晶格中的正离子D）引入电负性小的原子。P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。B）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。第七页，共四十九页。半导体导电性影响因素温度升高，提高施主能级位置，增加施主杂质浓度可提高n型半导体的导电性。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p型半导体的导电能力。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。第八页，共四十九页。杂质对半导体催化剂的影响

1、对n型半导体A）加入施主型杂质，EF↗Φ↘导电率↗B）加入受主杂质，EF↘

Φ↗导电率↘2、对p型半导体A）加入施主型杂质EF↗Φ↘导电率↘B）加入受主型杂质EF↘

Φ↗导电率↗第九页，共四十九页。半导体催化剂化学吸附与催化作用1、化学吸附A）受电子气体吸附（以O2为例）（1）在n型半导体上吸附O2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。第十页，共四十九页。（2）p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，表面吸附氧浓度较高。B)对于施电子气体吸附（以H2为例）对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主作用。第十一页，共四十九页。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↗↘↘第十二页，共四十九页。P型半导体和它的EF能级当过渡技术形成低价氧化物如NiO，Cu2O，CoO等，常形成金属阳离子缺位的非计量化合物。如NiO其中Ni2+缺位，以各缺位相当于两个单位的正电荷“2+”，由于晶体保持电中性，必然引起缺位附近两个Ni2+离子价态的变化，即2Ni2++“2+”→2Ni3+，这里Ni3+=Ni2+，Ni2+可以接受电子称为受主原子，当温度升高时空穴可以成为自由空穴。在外电场作用下，满带电子可以定向地向受主能级跃进迁，这种主要靠准自由空穴导电的半导体称之主P型半导体。P半导体的EF能级应处于满带项处EV和受主能级EA之间的中间位置。第十三页，共四十九页。P型半导体能带（EA为受主能级）第十四页，共四十九页。EF能级在过渡金属和半导体中的区别对于过渡金属而言电子的EF能级处在导带之内，反映金属地带量子态的填充水平。但对于的半导体情况的EF位置会发生变化。一般都处于禁带。反映地不是电子的一格允许能级但同样代表着半导体中电子表的平均能量，物力意义是一致的电子在该能级出现的几率为F(Ej)=1/2第十五页，共四十九页。N型半导体掺杂掺杂的两种方式施主型掺杂提高供电子的物质浓度。如ZnO中加入Al3+由于费米能级升高而使逸出功降低。导电率升高。受主型掺杂它减少了可提供电子的物质浓度。如在ZnO中添加Li+会使Zn+浓度下降，造成ZnO逸出功升高和导电率降低。第十六页，共四十九页。p型半导体掺杂掺杂的两种方式施主型掺杂准自由空穴浓度的降低。这是导致EF能级的升高，使得逸出功变小和导电率下降。受主型掺杂（情况类似）第十七页，共四十九页。如何判断参杂杂质类型掺杂杂质类型可以从杂质对半导体的逸出功和导电率影响来判断。1、用逸出功来判断如果引入某种杂质后，半导体的逸出功变小，那么这种杂质是施主型的，相反则为受主型杂质。2、用导电率来判断对于n型，凡是使导电率增加的物质为施主型杂质，相反则为受主型杂质。对于P型，凡是使导电率下降的物质为施主型杂质，相反则为受主型杂质。第十八页，共四十九页。n型半导体生成条件A)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N型半导体。B)氧缺位。C)高价离子取代晶格中的正离子。D)引入电负性小的原子。P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。B)用低价正电粒子取代晶格中的正离子。C)向晶格掺入电负性大的间隙原子。第十九页，共四十九页。第二十页，共四十九页。半导体氧化物催化机理第二十一页，共四十九页。举例：CO在NiO上氧化反应CO+1/2O2=CO2

△H=272KJ/mol（1）O2在NiO上发生吸附时，电导率由10-11欧姆-1厘米-1上升为10-7欧姆-1厘米-1。（2）测得O2转为O-吸时量热法测得微分吸附热为41.8kJ/mol，（3）测得CO在NiO上微分吸附热是33.5KJ/mol，而在已经吸附了O2的催化剂表面微分吸附热是293KJ/mol。这表明CO与NiO吸附不是一般的化学吸附而是化学反应。第二十二页，共四十九页。CO在NiO上催化氧化反应机理（1）Ni2++1/2O2→+Ni3+O-吸（2）O-吸+Ni3++CO（g）→CO2（吸）+Ni2+（3）CO2（吸）→CO2（g）总式：CO+1/2O2→CO2第二十三页，共四十九页。烃类在半导体型催化剂上的脱氢过程第二十四页，共四十九页。过渡金属氧化物催化特点半导体对催化性能的影响N型有利于加氢还原，P型有利于氧化。费米能级的高低可以调节催化剂的选择性，如丙烯氧化制丙烯醛时，通过引入Cl-来改变催化剂的选择性。与电子构型的关系d0、d10金属离子吸附时，d0无电子反馈，d10吸附较弱。表面物种较为活泼，不会发生深度氧化。第二十五页，共四十九页。金属催化剂与氧化物催化剂催化特点部分氧化对于C-C键断裂的催化过程，反应的关键是氧的活化，表面物种为亲电子的O2-和O-对于无C-C断裂的主要采用O2-晶格氧。金属氧化物与金属催化剂的区别是氧化物可以催化氧化还原反应，主要是氧化反应其次是脱氢、氧化脱氢及加氢。氧化物只要有可变的价态都有一定的催化作用，而不象金属催化剂受周期表位置的限制。但催化活性比金属要差。抗中毒方面相对金属而言要好一些，同时熔点高耐热性强。第二十六页，共四十九页。半导体催化剂的掺杂改性2CO+O2=2CO2为例CO氧化CO2用P型如NiO掺入Li+起受主作用，增加空穴，降低了反应的活化能。如加入Cr3+（施主）使Ni空穴数减少增加了反应的活化能。如果在催化剂上CO吸附变成正离子是控制步骤，CO起表面施主的作用CO把电子给了P型半导体NiO减少空穴不利于接受CO电子如果加入Li+会增加空穴数使导电率长高，用利于表面吸附这一控制步骤的进行。第二十七页，共四十九页。CO氧化用N型半导体ZnO加入Li，CO氧化活化能增加，加入Al3+活化能减小。如果CO在n型半导体ZnO上氧化O2吸附是控制步骤，则ZnO电子增多有利于O2的吸附，ZnO掺入Li+（受主）使n型导电率下降，掺入施主给电子有利于O2变成负离子，降低CO氧化活化能。第二十八页，共四十九页。金属氧化物催化剂氧化还原机理

（选择性氧化（部分氧化））第二十九页，共四十九页。表面氧种Oad-O2—O-—O2-O-形成在第一类过渡金属氧化物（p型）上，这类氧化物具有较多的能提电子的中心，也即阳离子易发生价态变化的。O2-形成在第二类过渡金属氧化物（N型）上，这类氧化物具有较少的电子给体中心。O2-形成在不易吸附氧的具有盐特征的氧化物上，氧与最高氧化态的金属离子形成确定结构。氧容易交换。O2-和O-易发生完全氧化，而O2-易发生选择氧化。形成了O2-、O-亲电反应物，攻击电子密度最高处的另了一个反应物。而O2-是亲核试剂是通过亲核插入到反应物中缺电处的。第三十页，共四十九页。晶体配位场理论要点中心离子与其周围配位体（氧离子）的相互作用而使中心离子的d轨道能级在配位体电场的作用下会分裂为几个能量不同的部分。对于在八面体场作用下而使原来由能量相同的简并轨道构成的d轨道变成能量不同的两级轨道，即：eg组：dz2，dx2-y2；t2g组：dxy，dxz，dyz第三十一页，共四十九页。八面体场第三十二页，共四十九页。△为分离能第三十三页，共四十九页。对于不同的配位体场下d能级分裂第三十四页，共四十九页。成对能与分离能关系成对能：当轨道上已经被一个电所占据，若要将第二个电子进入此轨道并与之配对时第二个电子与原有电子之间存在着一定的排斥作用克服这种排斥作用所需要的能量称之为电子成对能。用P表示。成对能P与分离能△之间存在以下关系。（1），电子力图占据最稳定轨道，（2）电子力图平行分占不同轨道（Hund）规则。（1）种情况取决于晶体场，（2）种情况与相互作用有关。若p低于△则形成低自旋，反之形成高自旋。对于d1，d2，d3，d9和d10这种影响是一致的，只有一种稳定的分布。而对于d4，d5，d6，d7△>p则电子应尽可能量相对较低的轨道，出现强场低自旋排布，而△<p则电子应尽可能分占不同的d轨道并保持自旋平行，出现弱场高自旋的电子排布。第三十五页，共四十九页。第三十六页，共四十九页。晶体场稳定化能（CFSE）d电子处于未分裂的d轨道的总能量和它们进入分裂的d轨道的总能之差。即d电子从未分裂的d轨道进入分裂后的d轨道后产生的总能量下降值。这种由于中心离子（或原子）d轨道的分离，给予氧化物（络合物）额外的稳定能，称这种能量为稳定化能（CFSE）CFSE对催化作用的影响对六配位的八面体按SN-1机理进行反应时将形成五配位中间过渡态构型。按SN-2机理进行时将形成七配位的中间过渡态构型。晶体场稳定化能（CFSE）第三十七页，共四十九页。按配位场理论进行的过渡金属氧化物催化过程如果我们把吸附物当作配位体，多相催化过程可以看作是均相配位（络合）催化过程的一个特例。这样多相反应过程的吸附过程可以引起（稳定化能）CFSE的变化。如在岩盐型结构氧化物（100）表面金属离子的配位构型退过吸附会从正方锥体五配位变成八面体（六配位）。按SN-1机理吸附作用对弱场中电子构型为d3和d8离子CFSE是有利的。相反对反应物脱附来说则弱场中的d4和d9离子和对强场中的d2，d7，d9离子有利。第三十八页，共四十九页。岩盐氧化物d电子定域能级图第三十九页，共四十九页。氧化还原型过渡金属氧化物的配位现象第四十页，共四十九页。过渡金属氧化物稳定化能第四十一页，共四十九页。（1）异丙苯液相多相氧化（2）乙苯液相氧化第四十二页，共四十九页。稳定化能（活化能）对催化的影响由正八面体→正方锥体SN-1的△E值见上表，吸附对弱场中电子构型为d3，d8有利。对强场中构型d3，d5，d8有利相反反应物脱附则对。第四十三页，共四十九页。吸附NiO表面配位数发生变化A）正方锥→正八面体，B）正四面体→正方锥→正八面体，C）平