光催化专题知识专业知识讲座课件

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?纳米TiO2光催化剂简介※

?纳米TiO2光催化剂的制备※

?纳米TiO2光催化剂的表征

?纳米TiO2光催化剂的应用

?总结

主要内容

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?纳米TiO2光催化剂简介

?什么是多相光催化剂？

多相光催化是指在有光参与的情况下，发生在催化剂及表面吸附物（如H2O，O2分子和被分解物等）多相之间的一种光化学反应。

光催化反应是光和物质之间相互作用的多种方式之一，是光反应和催化反应的融合，是光和催化剂同时作用下所进行的化学反应。

纳米TiO2是一种新型的无机金属氧化物材料，它是一种N型半导体材料，由于具有较大的比表面积和合适的禁带宽度，因此具有光催化氧化降解一些化合物的能力，纳米TiO2具有优异的光催化活性，并且价格便宜，无毒无害等优点因此被广泛的应用。

纳米TiO2粉体

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半导体是指电导率在金属电导率（约104~106Ω/cm)和电介质电导率（

＜1-10Ω/cm)之间的物质，一般的它的禁带宽度Eg小于3eV。

半导体的能带结构

导带

价带

禁带

Eg＜3eV掺杂半导体

N型半导体

（正电荷中心起提供电子的作用，依靠自由电子进行导电）

P型半导体（负电荷中心起提供电子的作用，依靠空穴进行导电）

半导体

本征半导体（纯的半导体，不含有任何杂质，禁带中不存在半导体电子的状态,即缺陷能级)

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实际半导体中，由于半导体材料中不可避免地存在杂质和各类缺陷，使电子和空穴束缚在其周围，成为捕获电子和空穴的陷阱，产生局域化的电子态，在禁带中引入相应电子态的能级。N型半导体的缺陷能级Ed靠近导带，P型半导体的Ea靠近价带。

EcEd

Ev

价带

Ec

EaEv导带

价带

导带

P型半导体的能级

N型半导体的能级

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C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\03_02_07_1.swf

P型半导体中电子转移示意图

N型半导体中电子转移示意图

C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\03_02_08_1.Mpeg.swf

PN节

C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\03_02_09_1.swf

C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\03_02_09_2.swf

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?为什么要用纳米半导体光催化剂？（量子限域效应）

大的半导体粒子和微粒（分子簇）的空间电子状态

粒子半导体

E0///////////////////////////////////////团簇

非定域分子轨道

非定域分子轨道

直径

导带

价带

距离

浅陷阱

－

－

深陷阱

///////////////////////////////////////

—

—

－

－

表面态

深陷阱

深陷阱

表面态

（表面界面效应）

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LUMO

HOMO

??

??

??

??

原子

轨道

分子

轨道

簇物

量子化

粒子

半导体

N=1

N=2

N=10

N=2000

N>>2000能

量

导

带

价

带

半导体能带宽度与粒子大小N(?)的关系示意图

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各种常用半导体的能带宽度和能带边缘电位示意图（pH=0）-101234TiO2WO3ZnO3.2

3.03

2.8SnO23.8ZnS3.6CdS2.4Fe2O32.2ENHEH+/H2O2/H2O.SrTiO33.2

1.1Si本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?常见的光催化材料

photocatalystEbg（eV）

photocatalyst

Ebg（eV）

Si1.1ZnO3.2TiO2（Rutile)3.0TiO2(Anatase)3.2WO32.7CdS2.4ZnS3.7SnO23.8SiC3.0CdSe1.7Fe2O32.2α-Fe2O33.1ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn(OH)2铁的氧化物会发生阴极光腐蚀

金属硫化物在水溶液中不稳定，会发生阳极光腐蚀，且有毒！

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?光催化技术的发展历史

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?TiO2光催化剂的优点

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?TiO2的结构与性质

TiOTiO6金红石型

锐钛矿型

TiO2晶型结构示意图

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CrystalstructuresRelativedensityTypeoflatticeLatticeconstant

LengthsofTi-Obond/nmEg/eVacanatase3.84Tetragonalsystem5.279.370.1953.2rutile4.22Tetragonalsystem9.055.80.1993brookite4.13Rhombicsystem?TiO2晶体的基本物性

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?锐钛矿相和金红石相TiO2的能带结构

CB/e-VB/h+CB/e-3.2eV3.0eVVB/h+0.2eV?两者的价带位置相同，光生空穴具用相同的氧化能力;但锐钛矿相导带的电位更负，光生电子还原能力更强

?混晶效应：锐钛矿相与金红石相混晶氧化钛中，锐钛矿表面形成金红石薄层，这种包覆型复合结构能有效地提高电子-空穴的分离效率

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?TiO2光催化材料的特性

研究方向：TiO2改性，提高太阳能的转化率及光催化效率

TiO2是当前最具有应用潜力的光催化剂

优缺点

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?TiO2光催化剂的催化机理

半导体的能带结构

半导体存在一系列的满带，最上面的满带成为价带（valenceband，VB）存在一系列的空带，最下面的空带称为导带（conductionband，CB）；价带和导带之间为禁带。

当用能量等与或大于禁带宽度（Eg）的光照射时，半导体价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成电子（e-）—空穴（h+）对。

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?半导体价带的光激发

固体中的光激发和脱激过程

空气和溶液中通常是氧

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?光生电子—空穴对的氧化还原机理

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?TiO2光催化主要反应步骤

hvH+VBE-CB复合

价带空穴诱发氧化反应

捕获价带空穴生成Titanol基团

导带电子诱发还原反应

捕获导带电子生成Ti3+TiO2本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

e-h+②

①

④

③

Ox-

Red+→→→CO2,Cl,H+,H2O

Red

⑤

TiTiHO⑥

⑦

TiO2光催化反应基本原理及主要基元反应步骤

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?光催化反应类型

?反应物被光激发后，在催化剂作用下引起的催化反应：

?由激发的催化剂K*所引起的催化反应

?催化剂和反应物有很强的相互作用，如生成配合物，后者再经激发进行的催化反应

?在经多次激发后的催化剂作用下引发的催化反应

?光催化氧化-还原反应

A+hvA*A*+K(AK)*B+KK+hvK*K*+A(AK)*B+KA+AKAK+hv(AK)*B+KK本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?

TiO2光催化活性的光催化的影响因素

?TiO2晶体结构的影响

在

TiO2的三种晶型锐钛矿、金红石和板钛矿中，锐钛矿表现出较高的活性，原因如下：

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?TiO2表面结构的影响

光催化过程主要在催化剂表面发生，对于单纯的TiO2光催化剂，影响其光催化剂，影响其光催化活性的表面性质如下：

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?催化剂颗粒直径的影响

催化剂粒子的粒径越小，单位质量的粒子数越多，比表面积越大，催化活性越高；但比表面积的增大，意味着复合中心的增多，如果当复合反应起主导作用的时候，粒径的减小会导致活性的降低

当粒径在1~10nm级时会产生量子效应

半导体禁带明显变宽，电子—空穴对的氧化能力增强

半导体电荷迁移速率增加，电子与空穴的复合几率降低

活性增大

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?溶液pH值的影响

TiO2在水中的零电点（电荷为零的点）为pH=6.25

当溶液pH值较低时，TiO2表面质子化，带正电荷，有利于光生电子向表面迁移

当溶液pH值较高时，由于OH-的存在，TiO2表面带负电荷，有利于光生空穴向表面迁移

对于不同的物质光催化降解有不同的最佳pH值，而且对于降解的影响非常显著

实践证明，在pH=3~9时，TiO2通常具有较好的催化活性

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?温度的影响

1.当氧的分压较高（如PO2=101325Pa），底物S的浓度较低时，温度对催化剂表面氧的吸附数量影响不大，温度效应取决于温度对有机物氧化速率的影响

2.当氧的分压较低（如PO2≤5066.25Pa），底物S的浓度较高（大于10-3mol/dm-3)时。温度效应取决于温度对有机底物和氧吸附性能的影响

?其他影响因素

除了前面提过的影响因素外，外加氧化剂、光源、光强、反应液中的盐等外界条件都可以对TiO2的光催化活性产生一定的影响。

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?提高TiO2光催化活性的途径

目前的TiO2光催化剂存在两个问题：

①量子效率低

②太阳能利用率低

解决方法：

?贵金属沉积

?复合半导体

?离子掺杂修饰

?表面光敏化

?表面还原处理

?表面鳌合及衍生作用

?超强酸化

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?贵金属沉积

沉积Ag后的TiO2光催化性能

光生电子在Ag岛上富集，光生空穴向TiO2晶粒表面迁移，这样行成的微电池促进了光生电子和空穴的分离，提高了光催化效率。

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?复合半导体

偶合型复合半导体电荷分离示意图

SnO2–TiO2电子转移过程示意图

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包覆型复合半导体电荷分离示意图

⊕

hvSnO2hvCBVBVBTiO2AA+SnO2—TiO2电子转移示意图

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?离子掺杂修饰

掺杂离子提高TiO2光催化效率的机制可以概括为以下几个方面：

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氮掺杂的二氧化钛带隙结构

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?表面光敏化

S*ShvCBVB一

AVBCBCBVBASAS一

光敏化的作用机理

敏化剂激发后电子转移

电子转移给受体

催化剂再生

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?表面还原处理

一方面，随着TiO2表面Ti3+位的增多，TiO2的费米能级升高，界面势垒增大，减少了电子在表面的积累及与空穴的进一步复合

另一方面，在TiO2表面，Ti3+通过吸附分子氧，也形成了捕获光生电子的部位

对于TiO2光催化反应，电子向分子氧的转移是光催化氧化反应的速度限制步骤，故表面Ti3+数量越多，越有利于电子向分子氧的转移。

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?表面螯合及衍生作用

表面衍生作用及金属氧化

物在TiO2表面的螯合可进一步改善界面电子传递效果，进而影响TiO2光催化活性。1.可有效延长光生电子-空穴的复合时间。2.能造成光催化剂TiO2的导带向更负方向移动。

?超强酸化

增强催化剂表面酸性是提高光催化效率的一条新途径。

一方面，通过二氧化钛的SO42-表面修饰（超强酸化），是催化剂结构明显改善，有效地抑制了晶相转变，使得具有高光催化本证活性的锐钛矿含量增加、晶粒度变小、比表面积增大、表面氧缺陷位增加。

另一方面，SO42-/TiO2超强酸催化剂表面由于受到SO42-诱导的相邻L酸中心和B酸中心组成了基团协同作用的超强酸中心增大了表面酸量及氧的吸附量。

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?纳米TiO2的制备及表征

二氧化钛合成

物理法

化学法

机械粉碎法

液相法

气相法

液相沉淀法

溶胶-凝胶法

醇盐水解法

微乳液法

水热法

TiCl4氢氧焰水解法

TiCl4气相氧化法

钛醇盐气相氧化法

钛醇盐气相水解法

钛醇盐气相热解法

※

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制备方法

优点

不足

液相沉淀法

粒径小，原料便宜易得

工艺流程长、废液多、产物损失较大，纯度低

溶胶-凝胶法

粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性好

有机溶剂来控制水解速度，致使成本较高

醇盐水解法

常温进行，设备简单，能耗少，纯度高

大量有机溶剂来控制水解速度,致使成本较高

微乳液法

可有效控制TiO2颗粒的尺寸

易团聚

水热法

晶粒完整，粒径小，分布均匀，原料要求不高，成本相对较低

反应条件为高温、高压，材质要求高

?液相法

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?液相沉淀法

传统的方法（前躯体：TiCl4,Ti(SO4)2）

改进后的方法(前躯体：TiOCl2不加碱性沉淀剂)TiOCl2水溶液

白色晶型沉淀

白色晶型沉淀

加热干燥

加热干燥

金红石型纳米TiO2粉体

锐钛矿型纳米TiO2粉体

无定形的Ti(OH)4TiCl4或Ti(SO4)2过滤

洗涤

干燥

600℃煅烧

锐钛矿

型TiO2800℃煅烧

金红石型TiO2氨水,NaOH,(NH4)2CO3

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?溶胶-凝胶法(Sol-Gel)(前驱体(TNB))

混合液

均匀混合液

均匀混合液

黄色晶体

钛酸丁酯

抑制剂

加入总醇量2/3的醇

缓慢滴加

1/3醇+水

搅拌

滴加盐酸

测pH值

真空干燥

(ACAC，HAc)白色纳米TiO2粉末

Sol-Gel法制备TiO2的工艺流程

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MyOwnMethods本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

Improvementoftheexperiment10mlTNB7mlC2H5OH+A7mlC2H5OH+1.08mlH2O+1mlHAcA40℃,Stirring,useHCladjustpHto2AddB,2-3drop/sYellowgel100℃,1h500℃

5hWhiteTiO2powderXRDB本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?醇盐水解沉淀法(前驱体(TNB))

钛酸丁酯

醇

混

合

混合

水

酸

醇

水解

陈化

真空干燥

煅烧

纳米级TiO2醇盐水解法合成TiO2的工艺流程图

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?水热法

1.前驱体:（TNB,NaOH调整pH)3mlTNB

15mlC2H5OH

A

NaOHpH=5,6,8,10,12

B

Hydrothermalreactor

180℃，5h

Cool

Centrifugal

Lavation

DryingTiO2,powder本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

2.前驱体:TNB,尿素水解

3mlTNB5mlC2H5OHCO(NH2)210mlC2H5OHABStirring

CHydrothermalreactorCoolCentrifugalLavationDryingTiO2powder80℃,4h;180℃,4h本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

3.前驱体:TiCl4，NaOH调整pH2mTiCl410mlC2H5OH

A

NaOH1,3,5,7mlBHydrothermalreactor

WhiteTiO2powerCentrifugalLavationDryingCool180℃,8h本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?微乳液法

前驱体:TiCl4,NaOH，HCl调整pH混合

超声

透明溶液A混合

超声

透明溶液B

混合,调整pH反应釜

180℃,8h冷却

离心

粉末16.8ml正庚烷2.7ml正己醇

1.5gCTAB1.8mlTiCl4溶液

16.8ml正庚烷

1.5gCTAB2.7ml正己醇

B反应釜

,8h

离心

16.8ml正庚烷2.7ml正己醇

1.5gCTAB1.8mlTiCl4溶液

16.8ml正庚烷

1.5gCTAB2.7ml正己醇

洗涤干燥

白色TiO2

混合

超声

透明溶液A混合

超声

透明溶液

混合,调整pH180℃冷却16.8ml正庚烷2.7ml正己醇

1.5gCTAB1.8mlTiCl4溶液

16.8ml正庚烷

1.5gCTAB2.7ml正己醇

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小结：

通过对各种方法制备出的纳米TiO2对比，发现采用溶胶凝胶法制备的纳米TiO2具有粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性好，产率较高等优点，是一种非常具有发展潜力的合成方法。是有可能应用于工业生产的合成纳米材料的方法。我们采用溶胶凝胶法，合成了一系列的掺杂型纳米TiO2，并对其进行了负载，测定了光催化性能，得到了很好的结果。

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?掺杂型纳米TiO2的制备

5mlTiCl4(1mol/L)

NaOH180℃,8hHydrothermalreactorCentrifugalLavationdryingPurplepowderCool

WhiteprecipitationNaOHNowhiteprecipitation6.8mlHAuCl4?水热法（掺杂Au）

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?微乳液法（掺稀土元素）

混合

超声

透明溶液A混合

超声

透明溶液B

混合,调整pH反应釜

180℃,8h冷却

离心

洗涤

干燥

白色TiO2粉末

16.7ml正庚烷2.7ml正己醇

2.3gCTAB10.8mlTiCl4

16.7ml正庚烷

2.3gCTAB2.7ml正己醇

混合

超声

透明溶液A混合

超声

透明溶液B

混合,调整pH反应釜

180℃,8h冷却

16.8ml正庚烷2.7ml正己醇

1.5CTAB1.8mlTiCl4

16.8ml正庚烷

1.5gCTAB2.7ml正己醇

稀土硝酸盐

+盐酸

超声

盐溶液

溶解

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?溶胶-凝胶法(掺杂过渡金属)

MCln

HCl少量C2H5OH超声

溶解

澄清溶液

HAc+H2OTNB加热

搅拌

黄色胶体

C2H5OH黄色溶胶

陈化

凝胶

500℃,8h掺杂型纳米TiO2本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?

纳米TiO2光催化剂的负载

由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使用和回收不便的问题，在实际的应用中很难利用，因此需要对TiO2进行负载，以便在实际中得到很好的应用。

我们采用浸渍法、层层组装的方法对纳米TiO2进行了负载，分别在石棉绳、玻璃纤维、沸石、分子筛上进行了负载并测试了对甲醛的降解效率，得到了较好的结果。

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?浸渍法（载体为石棉绳、沸石、分子筛）

石棉绳

沸石

分子筛

100℃

干燥

纳米TiO2溶胶

浸泡

2h,除乙醇

灼烧,600℃

8h负载型纳

米TiO2催化性能

测定

24h本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?层层自组装法（载体为玻璃纤维布）

1.玻璃纤维布的前处理

玻璃纤维布

1%SDS溶液

15minH2O5min1%HCl溶液

80℃，30minH2O5min带负电荷的玻璃纤维布

1%的PDDA溶液

15minH2O5min带正电的玻璃纤维布

聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐

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2.层层自组装进行负载

将处理好的玻璃纤维布依次浸于的PSS溶液中15min、水中5min、TiO2悬浊液中15min、水中5min，如此重复10次，再在高温下烧结，可测得平均每平方米的玻璃纤维可负载光催化剂I0.5g处理好的玻璃纤维布

1%的PSS溶液

H2O1%的

TiO2溶液

H2O15min5min15min5min聚苯乙烯磺酸钠

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“FromSelf-OrganizingPolymerstoNanohybridandBiomaterials”StephanF?rsterandThomasPlantenberg,Angew.Chem.,Int.Ed.,2002,41,688.Orderstructure本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?纳米TiO2光催化剂的表征

1020304050607080050100150200250300350400450500550600650700750800

Intensity/a.u.2??degreeTi(OR)4/H2O=1:1(Moleratio),400Ti(OR)4/H2O=1:2(Moleratio),600

Ti(OR)4/H2O=1:5(Moleratio),600

Ti(OR)4/H2O=1:10(Moleratio),500XRD溶胶-凝胶法

锐钛矿：25.30，37.80和48.10

金红石：27.50，36.10和44.10本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

1020304050607080050100150200250300350400450500550600650FWHM=0.368FWHM=0.270FWHM=0.248

Intensity/a.u.2???degree?withoutmetalionsZn2+Fe3+Sn2+FWHM=0.296本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

TEM本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

水热法

10203040506070050100150200250300350400450

Intensity/a.u.2??degreepH=5pH=6pH=8pH=10pH=12FWHM=0.564XRD本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

60

TEM本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

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晶粒直径计算（pH=6）

BBKt??cos???Scherrer'sFormula

K=0.89λ=0.154178nmB=0.564*π/180=0.00984t=0.89*λ/(BCosθB)

=0.89*0.154178nm/[0.00984*Cos(25.337/2)]=13.9nmK：谢乐常数

B：衍射峰值半高宽的宽化程度

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TiO2:10%Sn的TEM图

TiO2:10%Sn的EDS图

溶胶-凝胶法

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TiO2:10%Pd的TEM图

TiO2:10%Pd的EDS图

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?催化性能的测试（降解苯酚）

03060901201501802100510152025

UndopedTiO2

2%Cr/TiO2

10%Pd/TiO2

10%RE/TiO2

Concentration

/

mg/LTime/min本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?降解甲醛（分子筛负载）

15202530otocatalystIatdifferenttimes

t/h510152025305060708090100DegradationofformaldehydebyphotocatalystIatdifferenttimes

Degradation

efficiency/%t/hfigure4.3本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?纳米TiO2的应用

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?环保方面的应用

A.无机污染物的光催化氧化还原

光催化能够解决Cr6+、Hg2+、Pd2+等重金属离子的污染

光催化还可分解转化其它无机污染物，如CN-、NO2-、H2S、SO2、NOx等

B.机化合物的光催化降解

有机物

催化剂

光源

光解产物

烃

TiO2紫外

CO2，H2O卤代烃

TiO2

紫外

HCl，CO2，H2O羧酸

TiO2

紫外，氙灯

CO，H2，烷烃，醇，酮酸

表面活性剂

TiO2

日光灯

CO2，SO32-染料

TiO2

紫外

CO2，H2O，无机离子，中间物

含氮有机物

TiO2

紫外

CO32-，NO3-，NH4+，PO43-，F-等

有机磷杀虫剂

TiO2

紫外，太阳光

Cr，PO43-，CO2本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。

?卫生保健方面的应用

灭杀细菌和病毒

可以用与生活用水的杀菌消毒；负载TiO2光催化剂的玻璃，陶瓷等是医院、宾馆、家庭等各种卫生设施抗菌除臭的理想材料。

TiO2光催化剂杀菌的特点

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使某些癌细胞失活

TiO2表面修饰血卟啉（Hp，hematioporphyrin），通过有选择地局部或局域注射微粒到瘤内，随后用光导纤维传导紫外光集中照射瘤组织体，光激发TiO2颗粒表面生成强活