催化原理经典

光催化原理与应用Principles

and

Applications

of

Photocatalysis福州大学光催化研究所国家环境光催化工程技术研究中心当前第1页\共有87页\编于星期四\19点李旦振、王绪绪、刘平、付贤智一、光催化简介－高学性科能发复展合背环景境净化材料及其应用的基础研究光催化技术：

最有前景的新技术之一环境污染当前第5页\共有87页\编于星期四\19点能源紧缺一、光催化简介高－性学能科复发合展环背境景净化材料及其应用的基础研究光催化技术是近年来迅速发展起来的可以利用太阳能进行环境净化和能源转化的新技术。H2OH2,

O2CO2，

H2OPractical

ApplicationsFundamental

Research将低密度的太阳能转化为高密度的化学能（氢能）通过光催化反应分解各种污染物和杀灭细菌与病毒Organics（甲醛、苯、PCB、二恶英、染料、农药…）能源光催化环境光催化价带导带CO2,

CH4当前第6页\共有87页\编于星期四\19点有用化学品光催化合成一、光催化简介高－性学能科复基合础环与境原净理化材料及其应用的基础研究光催化学科是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。还原价带当前第7页\共有87页\编于星期四\19点导带有机污染物氧化多相光催化过程本质上是光诱导的氧化－还原反应过程22H

O

→

H

+

½

O2C

H

+

7

½

O

→

h6vCO

+

3H

O6

6

2

2

2催化剂hv催化剂一、光催化简介高－性技能术复特合征环境净化材料及其应用的基础研究吸附技术光催化技术吸附技术生物降解技术催化氧化技术高温焚烧技术不能分解污染物、吸附饱和使用周期短、二次污染对难生物降解污染物无能为力处理条件要求苛刻系统运行稳定性较差能耗较高、催化剂中毒反应副产物二次污染能耗高、产物二次污染光催化环保技术的特征：可以直接利用太阳光净化环境——绿色、节能室温下彻底降解污染物——特别是有毒难降解有机污染物…有效杀灭细菌、病毒——包括典型致病菌、SARS、流感病毒…安全、无二次污染——污染物被彻底氧化分解为CO、H

O等无害产物2

2广谱、长效——上百种应优先考虑的污染物几乎都可被降解，催化剂长期使用当前第8页\共有87页\编于星期四\19点一、光催化简介高－性应能用复领合域环境净化材料及其应用的基础研究医疗卫生建材行业光能转化化学工业生物制药国防军事印染行业光催化技术应用家用电器当前第9页\共有87页\编于星期四\19点光催化技术在众多领域具有广阔的应用前景：一、光催化简介－高学性能科复前合沿环境净化材料及其应用的基础研究难题一

:

量子效率低

(～4%)难题二

:

太阳光利用低

(～5%)难题三:

工程化关键技术(反应系统设计、催化剂负载、寿命…)核心：高效光催化剂及构-效关系关键：提高光催化过程效率的途径本质：光催化过程的作用机理技术难点科学问题还原有机污染物氧化TiO2●从理论和应用上解决这些问题是国际光催化领域的研究前沿与热点光催化应用的重大科学与技术难题3.2

eV当前第10页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合总环体境进净展化情材况料及其应用的基础研究近年来国内外针对光催化领域的重大科学与技术问题，开展了系统深入研究，在提高光催化过程效率、实现可见光光催化过程和解决工程化关键技术问题等方面有所突破，光催化技术应用领域不断拓展。当前第11页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础高研性究能进复展合－环总境体净化进材展料情及况其应用的基础研究*据ISI数据库检索，包括：ARTICLE,REVIEW,LETTER,NEWS

ITEM,EDITORIALMATERIAL,CORRECTION

等。国际光催化基础研究十分活跃，论文数量持续增加！●当前第12页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复展合－环总境体净进化展材情料况及其应用的基础研究中国光催化研究已进入国际前沿，2005年以来我国的光催化研究论文数已经跃居世界第一。2008年发表论文的数量：中国>日本>美国>韩国…当前第13页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础高研性究能进复展合－环新境型净化光材催料化及剂其应用的基础研究1.光催化的核心是光催化剂，近年来新型光催化剂研究取得重要进展。采用多种先进的方法和手段，设计并制备出一系列具有高效、高稳定性和可见光诱导性能的新型光催化剂，大大拓展

了光催化剂的多元性和应用可选择性。能带调控表面修饰半导体复合离子掺杂固溶体形成量子尺寸效应水热合成模板剂合成微波溶剂热合成…

…结构调控组成调控提高光催化性能活性当前第14页\共有87页\编于星期四\19点活性稳定性可见光诱导二、光化基础研高究性进能展复－合新环型境光净化化材剂料及其应用的基础研究TiO2基新型光

化剂纳米固体超强酸型光

化剂SO

4

2

-/TiO

2

,

SO

4

2

-/SiO

2

-TiO

2

,

Pt-

SO

4

2

-/

TiO

2窄带无机半导体敏化型可见光光

化剂In

VO

4

/TiO

2

，La

VO

4

/TiO

2

，PS/TiO

2

，PZT/TiO

2金属或金属离子掺杂型光

化剂Pt/TiO

2

，

M

3

+

/TiO

2

(M

3

+

=

Gd

3

+

，La

3

+

，Pr3

+

)非金属掺杂型光

化剂TiO

2

-

x

Nx

/ZrO

2

，I7

+

-I-/TiO

2

，

，具有分级结构的TiO2中空纤维光

化剂具有类分子筛结构的TiO2光

化剂非TiO2新型光

化剂非金属聚合物可见光光

化剂g-C

3

N

4

，mpg-C

3

N

4

，Fe/

g-C

3

N

4单一和多元金属氧化物纳米光

化剂β-Ga

2

O

3

，Zn

2

Ge

O

4

，Bi2

WO

6

，Pb

Bi2

Nb

2

O

9

，Bi2

Mo

O

6

，

Sr2

Sb

2

O

7

，

Zn

2

Sn

O

4

，

Ca

Sn

O

3固溶体型纳米晶可见光光

化剂In(OH)y

Sz

，Znx

Cd

1

-

x

S

，M

2

+

/

In(OH)y

Sz

(Cu,Zn)金属氢氧化物/硫化物纳米光

化剂In(OH)3

，

In

OOH

，

Zn

In

2

S

4

，

Sb

2

S

3分子筛光

化剂Fe/HZSM-5

，

Ag/ZSM-5

，Fe/Y，Ti/MCM-41Nafion膜负载的纳米光

化剂Cd

S/Nanfion，Zn

O/Nafion设计制备的两大类、十二个系列的40多种新型光

化剂：当前第15页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净催化材剂料及其应用的基础研究例1纳米固体超强酸型高效光催化剂（SO42-/TiO2）解决的关键问题－TiO2光催化剂量子效率低通过超强酸中心捕获光生电子和纳米量子尺寸效应，有效抑制了光生电子－空穴的重新复合，实现了高效、稳定的光催化过程。超强酸化效应：当前第16页\共有87页\编于星期四\19点光生载流子有效分离；●氧化-还原能力增强；O2吸附能力增强；

●

载流子迁移距离缩短；抑制晶相转变。

●

比表面积增大。量子尺寸效应：Adv.

Mater.,

2005

,

17

,

99J.

Photochem.

Photobiol.

A

,

2006

,

179

,

339Micropor.Mesopor.Mater.,

2008

,

110

,

543采用制备新方法，研制出具有多孔性、大比表面、高锐钛矿含量和纳米晶粒度等结构特征的新型固体超强酸光化剂(发明专利ZL

98115808.0)。与国际标准光

化剂（德国

Degussa

P-25

TiO2）相比，光

化活性提高1-3倍，并实现了生产和实际应用。※※化剂比表面积（m

2

/

g）孔体积（ml/

g）锐钛矿含量（%）平均晶粒度（nm）酸强度（H

0

）氧吸附量(mmolg-

1

)光

化活性（%）甲醛溴代甲烷乙烯SO

42

-/

TiO

21540

.211005

.6≤

-

12

.440

.5496

.044

.935

.8TiO

2

(P-

25

)50—7530≥

-

3

.00

.3146

.810

.912

.8二、光化基础研高究性进能复－合新环境型净光化材化料剂及其应用的基础研究当前第17页\共有87页\编于星期四\19点二三、、已光开催展的化工基作础与成高研果性究—能应进复用展基合础－环研新境究型净光化催材化料剂及其应用的基础研究已有方法制备的TiO2基可见光光催化剂（有机染料敏化、非金属元素N、B等掺杂）容易失活，难以实际应用。例2稳定高效的异质结型可见光光催化剂（InVO4

/TiO2）※TiO

2

(101

)In

VO

4

(200

)TiO

2In

VO

44007000.09TiO

N2

-

x

xIn

VO

4/4/T

i

O

2In

VO40.00

TiO2500

600Wavelength

(nm)0.06F(R)0.03采用稳定的窄带无机半导体4

2InVO与TiO形成异质结,使二者能带耦合，实现了稳定、高效、可见光诱导的光催化过程。解决的关键问题－TiO2不能吸收利用可见光；TiO2基可见光光催化剂不稳定（失活）J.

Mater.

Chem.,

2006,

16,

1116J.

Photochem.

Photobiol.

A,

2008

,

193

,

213当前第18页\共有87页\编于星期四\19点Photochem.

Photobiol.

Sci.,

2006,

5,

653Environ.

Sci.

Technol.

,

2009

,

43

,

4164二三、、光已开催展化的工基作础与成高研果性究—究能应进用复展基合础－环研新究境型净光化催材催料化及剂其应用的基础研究可见光下（450≤λ≤900

nm），能将苯等多种污染物高效降解至CO2，并具有很好的活性稳定性。已应用于光催化环保涂料中（发明专利ZL03136596.5）。020Conversio4n0(%)60Conversion环己烷

乙苯

甲苯

丙酮Produced

CO2(ppm)Produced

CO20204060Conversion

of

benzene

(%)ConversionProduced

CO

21st

run

2nd

run

3rd

run

4th

run

5th

runProduced

CO(ppm)2苯※0280204060可见光In

VO

4

/TiO

2当前第19页\共有87页\编于星期四\19点Conversion

of

benzene

(%)4

6Reaction

Time

(h)紫外光TiO

2

(P

25)4％49％二、光催化基础高研性究能进复展合－环新境型净光化材催料化及剂其应用的基础研究例3P区金属氧化物/氢氧化物新型纳米光催化剂※Environ.

Sci.

Technol.,

2006

,

40

,

5799

J.

Catal.,

2007

,

250

(

1

):

12

-

18J.

Phy.

Chem.

C,

2007,111,18348J.

Phys.

Chem.

C,

2008,

112,

5850Environ.

Sci.

Technol.，2008

,

42

,

7387New

J.

Chem.,

2008

,

32

,

1843研究发现一元或多元宽带隙p区金属氧化物和氢氧化物对难降解的苯系污染物具有优异的光催化氧化活性和抗失活能力，是一类新型高效光催化剂。β－Ga2O3、NiGa2O4、ZnGa2O4Zn2GeO4、Bi2GeO5Sr2Sb2O7In2O3、In(OH)3、InOOH当前第20页\共有87页\编于星期四\19点二三、、已光开展化的基工基作础与研成高究果性—进能应展用复基－合础新环研究境型净光化材化料剂及其应用的基础研究解决的关键问题—TiO2

难以降解苯系污染物，且容易失活活性顺序:β-Ga2

O3

>γ-Ga2O3

>α-Ga2O3通过晶相结构调控，研制出具有介孔结构的纳米β－Ga2

O3

，对苯系污染物具有优异光化活性、深度氧化能力和活性稳定性。β-β-与P25-TiO2相比，β-Ga2O3降解苯的光反应80小时未发生失活现象。化活性提高了近10倍；矿化率提高了22倍，※非TiO2新型高效光化剂——纳米β－Ga2O3当前第21页\共有87页\编于星期四\19点二、光

化基础研高究性进能展复－合新环型境光净化化材剂料及其应用的基础研究Zn2GeO4

纳米光

化剂※

模板水热法合成的Zn2

GeO4纳米棒对苯、甲苯、乙苯表现出优异的光

化氧化性能，120

h连续反应后活性依然稳定。与TiO2

(P25)和体相Zn2

GeO4相比，纳米Zn2GeO4光化活性分别提高6－16倍和5－17倍。※当前第22页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复展合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究例4固溶体型纳米晶可见光光催化剂J.

Phys.

Chem.

C，2007

,

111

,

4727J.

Phys.

Chem.

C，2008

,

112

,

14943J.

Phys.

Chem.

C，2008

,

112

,

16046※研究发现，通过形成固溶体可有效调控宽带隙半导体的能带结构，使其吸收光谱红移至可见光区，对生物难降解的染料具有优异的光催化氧化分解活性，是一类新型高效可见光光催化剂。In(OH)ySzZnxCd1-xSM2

+

/

In(OH)ySz

(M=Cu,Zn)当前第23页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复展合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究50

nm固溶体型可见光光催化剂—In(OH)y

Sz以In(NO3

)3、乙二胺、硫脲为原料，水热合成出粒径大约为25nm、禁带宽度大约2.4eV、可见光活泼的In(OH)x

Sy固溶体纳米晶体。XRDTEMIn(OH)xSy(220)当前第24页\共有87页\编于星期四\19点5

nm二、光催化基础高研性究能进复展合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究SampleNoS/

In

insyntheticsolutionS/

In

insolidsolutionCrystallitesize

(nm)SpecificSurfacearea

(m

2

/

g)100362520

.50

.04243431

.00

.066255041

.50

.09373052

.00

.1432512In(OH)y

Sz固溶体的形成，使吸收带边移到可见光区。DRSXPS当前第25页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础高研性究能进复展合－环新境净型化光材催料化及剂其应用的基础研究In(OH)3中掺入S，形成了S

3px和S

3py+3pz的能级。In(OH)3当前第26页\共有87页\编于星期四\19点In(OH)2.75S0.25量化计算In(OH)ySz和In(OH)3能带结构二、光催化基础高研性究能进复展合－环新境净型化光材催料化及剂其应用的基础研究可见光下（λ>420nm），In(OH)ySz固溶体不仅能彻底地光降解RhB，而且也能有效地光催化分解丙酮空气污染物。Possible

mechanism

of

the

visible-light-driven

photo-catalysis

onIn(OH)ySz

solid

solutions当前第27页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净催化材化料剂及其应用的基础研究例5ZnIn2S4介孔微球可见光光催化剂万寿菊状微球采用低温水热合成。禁带宽度2.2

eV,比表面积60

m2/g，最可几孔径～3

nm。优点：无需模板剂、表面活性剂和有机溶剂，低温。Inorg.

Chem.，2008

,

9766

-

97721mmol

ZnCl2+当前第28页\共有87页\编于星期四\19点32mmol

InCl+6mmol

TAA(硫代乙酰胺）+100mL水，pH

2～380℃,

6

h二、光催化基础研高究性进能展复展合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究当前第29页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础高研性究能进复展合－环新境净型化光材催料化及剂其应用的基础研究该多孔微球对于甲基橙表现出很好的可见光光催化降解活性（λ>420nm）。TiO

2

-

x

Nx当前第30页\共有87页\编于星期四\19点Zn

In

2

S

4二、光催化基础研高究性进能展复展合－环新境型净光化催材化料及剂其应用的基础研究该研究论文2008年10月在美国化学会网站主页的“News

andResearch”栏目报道。当前第31页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境净光化催材化料剂及其应用的基础研究例6非金属聚合物半导体－新型可见光光催化剂（g-C3N4）迄今所报道的光催化剂都是含有金属组元的材料。最近研究发现，不含金属的聚合物半导体石墨相氮化碳（g-C

N

）具有3

4可见光光催化活性。将其引入光催化领域，开展了初步研究，拓展了光催化研究特别是光催化材料研究的新方向。g-C3N4●当前第32页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复展合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究石墨相氮化碳由于碳和氮是sp2杂化，其带隙最小Liu

and

Wentzcowitch,

PRB

50

,

R10342

(1994).g-C3N4Liu

and

Cohen,

Science

245

,

841

(1989).ß-C3N4Kroke

et

al.,

New

J.

Chem

26

,

508

(2002).g-C6N8Vodak

et

al.,

Chem.

Eur.

J

9

,

4197

(2003).3D-C3N4-C3N4Cubic

-C3N4Molina,

B.

et

al.

Modern

Phys.

Lett.

B

13,

193-201(1999)Molina,

B.

et

al.

Modern

Phys.

Lett.

B

13,

193-201(1999)氮化碳材料的同素异形体当前第33页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净催化催材化料剂及其应用的基础研究Graphitic

carbon

nitride石墨相氮化碳CyanamideDicyandiamideMelem氰胺双氰胺Melamine三聚氰胺蜜勒胺Polymericmelem聚蜜勒胺g-C3

N4石墨相氮化碳的化学合成热诱导自聚合热分析525

℃当前第34页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净化催材化料剂及其应用的基础研究能带结构与水的氧化-还原电极电位匹配晶相结构能带结构-DFT计算导带价带能带结构-电化学表征（～

460

nm）当前第35页\共有87页\编于星期四\19点石墨相氮化碳的晶相与能带结构二、光催化基础研高究性进能展复展合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究石墨相氮化碳的光吸收和光电特性光吸收特性零偏压光电转换特性l

>

420

nm-0.16-0.08-0.12-0.040.000.04offIph(uA)-0.20Light-dark

cycles

FTOg-C

N

/FTO3

4on光电流当前第36页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净催化化材剂料及其应用的基础研究石墨相氮化碳的光催化反应性能（1）光催化分解水反应H2OH2＋O2可见光（hv>420

nm)g-C3N4l

>

420

nml

>

420

nmH2产氢产氧当前第37页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能复－合新环型境光净催化催材化料剂及其应用的基础研究（2）醇类光催化选择性氧化反应R1R2Conv.(%)Sel.(%)1PhenylH57>992PhenylCH377>9934-MethlphenylH869044-ChlorophenylH79>9954-MethoxyphenylH1009564-MethylbenzoateH80>997PhCH=CH2H92648PentylCH335>999PhenylCyclopropyl3290苯甲醇苯甲醛hv

>420

nmg-C3N4,

O2（醇）当前第38页\共有87页\编于星期四\19点（醛、酮）二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净催化化材剂料及其应用的基础研究（3）胺类光催化氧化偶联反应N

H

2Ng-C3N4

,

O2hv

>420

nm

，80

oC当前第39页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净催化化材剂料及其应用的基础研究（4）光催化选择性氧化苯合成苯酚g-C3N4

,

H2O2hv

>420

nm

，60

oC当前第40页\共有87页\编于星期四\19点Direct

metal-

free

oxidation

of

benzene

to

phenol

with

H

2O

2

in

neutral

conditionCatalysthvt

(h)BenzeneConv.(%)1g-C3N4-402g-C3N4+403mpg-C3N4-40.14mpg-C3N4+42.0二、光催化基础研高究性进能复合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究（5）染料废水光催化降解反应有效分解水中罗丹明B、甲基橙、亚甲基兰、对羟基偶氮苯等染料。CO2

＋H2O可见光（hv>420

nm)g-C3N4RhBg-C3N4+O2g-C3N4+H2O2当前第41页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能复合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究石墨相氮化碳光催化剂的初步改性拓宽光谱响应范围、提高光催化效率结构调控金属修饰分子设计g-C3N4当前第42页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能复合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究C

a

rb

o

n

n

itrid

e

po

ly

m

e

r光催化性能5倍g-C3N4的分子设计与合成采用共聚合法调控氮化碳的组成、结构和性能巴比妥酸＋二聚氰胺460→650

nm光吸收当前第43页\共有87页\编于星期四\19点氰胺550

o

C-

S

i

O

2N

H

4

HF

2550

oC-

Si

O

2550

o

CNH4

HF

2SiO212

nmSBA-

15ompg-C3

N

4239

m

2

/gg-C3N4ompg-C3N4mpg-C3N4g-C3N4的孔结构调控采用模板法制备多孔性、大比表面的氮化碳材料，提高效率100

nm100

nm介孔结构mpg-

C

N3

467

-

373

m

2

/

g介孔分子筛g-C3N48

m

2

/g产氢活性(μmol/h)光

化效率提高8倍二、光化基础研高究性进能复合－环新境型净光化材化料剂及其应用的基础研究当前第44页\共有87页\编于星期四\19点g-C3N4的金属组分修饰200

nm(

A

)负载化SBA-15光催化性能(苯→苯酚)NNNNNNNNN

NN

NNNNNNNNNNFe-g-C3N4N

NFe

3

+

N

N

NN金属离子络合配位,

g-C3N4

→

Fe-g-C3N4→负载化Fe含量增加CNF

e4Fe-g-C

3

N

4+4

.85Fe-g-C

3

N

4

/

SBA-15-6

.70

.3

µm0

.3

µm0

.3

µm6Fe-g-C

3

N

4

/

SBA-15+11

.9CatalysthvC

6

H

6

转化率(%)1g-C

3

N

4+02mpg-C

3

N

4+23Fe-g-C

3

N

4-1

.8二、光催化基础研究进展－新型光催化剂当前第45页\共有87页\编于星期四\19点g-C3N4的金属组分修饰金属表面修饰，

g-C3N4

→

Pt/g-C3N4

→

Pt/mpg-C3N4gg-

C-3NC4

3N4Pt/Ptgtg/

g-g--

CCCC3

N34

N4Pt二、光催化基础研究进展－新型光催化剂当前第46页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净催化化材剂料及其应用的基础研究当前第47页\共有87页\编于星期四\19点Nature

Materials,8,

76-80

(2009)J.

Am.

Chem.

Soc.,

131,

1680-1681（2009）J.

Am.

Chem.

Soc.,

131,

11658–11659

(2009)Adv.

Mater.，21,

1609–1612（2009）J.

Phys.

Chem.

C,

113,

4940–4947

(2009)Chem.

Mater.,

21,

4093–4095

(2009)Angew.

Chem.

Int.

Ed.,

49,

441–

444

(2010)●上述初步研究结果已发表在：二、光催化基础研高究性进能复合－环新境型净光化催材化料剂及其应用的基础研究论文被美国化学会的Chemical&Engineering

News

专门介绍Nature

Materials论文发表一年半，他引41次“氮化碳催化剂便宜地制造氢气”引起国际同行关注：当前第48页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合新环型境光净催化化材剂料及其应用的基础研究吸收可见光；高稳定性；不含金属成份,廉价易得；结构与性能易于调控；易于成膜和集成化，重量轻。值得进一步深入研究当前第49页\共有87页\编于星期四\19点初步研究结果表明，氮化碳聚合物半导体是一类有希望的新型可见光光催 化材料，具有许多独特的性能，将丰富和拓展光催化领域的研究内容，在 众多方面具有广阔的应用前景。二、光催化基础高研性究能进复展合－环反境应净机化材理料及其应用的基础研究分子筛光催化剂的活性中心研究光催化氧化过程的H2-O2耦合效应研究界面间电子转移对光催化反应性能的影响研究光催化反应机理和活性中心研究当前第50页\共有87页\编于星期四\19点2、光催化反应机理的研究取得进展，初步阐明了界面间电荷转移机理和分子筛光催化剂的活性中心结构与性质，并对影响光催化反应速率的关键因素有了进一步认识。二、光催化基础研高究性进能展复展合－环反境应净机化理材料及其应用的基础研究含Fe的HZSM-5分子筛光催化活性中心的研究在以前的研究中我们发现商品HZSM-5具有光催化活性,并证实该活性与沸石中所含的杂质

Fe有关。进一步研究发现：不同方法制备的含Fe的HZSM-5分子筛其光催化活性随Fe含量变化的规律不同。这说明光催化性能与Fe在分子筛中的化学状态和结构有关。商品HZSM-5:

活性随杂质铁含量增加而增加用离子交换引入Fe:活性随铁含量增加几乎不变水热合成引入Fe:

活性随铁含量增加逐渐降低J.

Phy.

Chem.

C.,

2007

,

111

,

5195

-

5202Catal.

Today,

2004,

93-95,

851例1当前第51页\共有87页\编于星期四\19点分子筛光催化剂的活性中心研究二、光催化基础研高究性进能展复－合反环境应净机化理材料及其应用的基础研究UV-RamanEPRXAFSFe物种在ZSM-5中可能的化学结构对HZSM-5中Fe的化学状态及局域结构进行了详细的表征，结果表明有多种类型Fe物种存在。当前第52页\共有87页\编于星期四\19点二、光 化基础研高究性进能展复－合反环应境机净理化材料及其应用的基础研究UV-Raman

spectra谱带面积与光化活性的关联化活性有较好的关联，是该分子筛的光化活性中心当前第53页\共有87页\编于星期四\19点表面孤立四配位的Fe3+物种与光。二、光化基础高研性究能进复展合－环反境应净机化理材料及其应用的基础研究含Fe的HZSM-5上乙烯光

化氧化机理化反应机理。该工作对认识其它光化剂的分子作用机制也有借鉴作当前第54页\共有87页\编于星期四\19点在分子水平上提出了光用。电子－空穴对激发态二、光催化基础高研性究能进复展合－环反境应净化机材理料及其应用的基础研究例2光催化氧化过程的H2-O2耦合效应研究Chem.

Comm

.,

2004

,

2304

-2305New

J.

Chem.,

2005,

29,

1514-1519Environ.

Sci.

Technol.,

2008

,

42

,

2130

–2135实验发现：在富氧的光催化氧化体系中加入少量还原性气体H2，能极大地提高光催化反应速率，光催化活性提高近两个数量级，苯100%转化成

CO2和H2O，并有效抑制了光催化剂的失活。当前第55页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合反环应境机净理化材料及其应用的基础研究甲苯当前第56页\共有87页\编于星期四\19点乙苯环己烷

丙酮二、光催化基础高研性究能进复展合－环反境应净机化理材料及其应用的基础研究H

-O2

2O2当前第57页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合反环应境机净理化材料及其应用的基础研究TiO2

(UV-irradiated)

→

e-

+

h+Os-Pt

+

e-

→

Os-Hs-

Pt

+

h+

→

Hs+Os-

+

Hs+

→

HO•Os-

+

Hs-Pt

→

HO-当前第58页\共有87页\编于星期四\19点HO-

+

h+Hs

+

HO•→HO•→

H2O(8)

Os-Pt

+

Hs-Pt

→

HO•H2/O2耦合效应—光生载流子双捕获协同作用机理二、光催化基础研高究性进能展复－合反环应境机净理化材料及其应用的基础研究例3负载型光催化剂的载体效应研究—TiO2薄膜与导电基底间电子转移对光催化性能的影响油酸的光催化分解乙烯的光催化分解产生这种差别的原因与基底的电子功函数有关，也与有机物的分解机理有关.J.

Phys.

Chem.

B

,

2006

,

110

,

13470

-13467TiO

2

/

ITO/

glass

＞

TiO

2

/glass＞TiO

2

/

AlTi

O

/

Al

＞TiO

/glass

＞TiO

/ITO/glass2

2

2AlglassITO/

glassTiO

2

/

AlTiO

/

glass2TiO

/

ITO/

glass2Al,

glass,

ITO/

glassTiO

2

/

AlTiO

2

/

glassTiO

2

/

ITO/

glass当前第59页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合反环应境机净理化材料及其应用的基础研究4.3Al17.63.6ITO16.74.5TiO2

/Al17.43.8TiO2

/ITO/glass17.24.0Workfunction

(

Φ)

/eVEnd

edgeenergy

/eVSamplesWork

functions

(

Φ)

determined

by

UPSAg

16.9功函数（电子逸出功）：ITO/glass>

TiO

2

>

AleTiO

2

/ITO界面上，Schottky势垒形成，电子由2TiO转移到ITO上。eTiO

2

/Al界面上，形成了Ohm接触，电子从Al片上转移到TiO

2

上。当前第60页\共有87页\编于星期四\19点二、光催化基础研高究性进能展复－合反环应境机净理化材料及其应用的基础研究油酸的降解主要通过空穴或HO·进行，因此活性顺序：TiO2/ITO/glass

＞

TiO2/glass

＞TiO2/Al乙烯的降解主要通过电子进行，因此活性顺序：

TiO2/Al＞TiO2/glass＞TiO2/ITO/glass光生空穴寿命不变eTiO2glassTiO2ITO/glass当前第61页\共有87页\编于星期四\19点光生空穴寿命增长TiO2Al光生空穴寿命减短ee×XTiO2

膜与导电载体基底间的电子转移影响光生载流子的捕获和复合二、光催化基础研高究性进能展复展合－环反境应净机化理材料及其应用的基础研究Pt作为电子受体，掺Pt到TiO2

对光生空穴起作用的光催化反应有利。KI作为电子给体，掺KI到TiO2

对光生电子起作用的光催化反应有利。该研究为光催化剂载体选择和掺杂组分选择提供了依据。此规律可以解释Pt和KI掺杂对TiO2

光催化分解油酸和乙烯的影响TiO

2

-

KITiO

2

-

PtTiO

2oleic

acidethylene当前第62页\共有87页\编于星期四\19点TiO

2

-

KITiO

2TiO

2

-

Pt三、光催化应用研高究性进能展复展合－环总境体净进化展材情料况及其应用的基础研究日本专利每年突破1000件当前第63页\共有87页\编于星期四\19点专利光催化环保技术已在众多领域得到实际应用，辐射行业非常广泛，全球已形成了一个新兴高技术产业－光催化环保产业。※

发达国家政府及企业高度重视，投入了大量经费和研究力量；※新型高效光催化剂、高效光催化反应器设计、光源传输和控制系统、光催化剂负载技术等应用关键技术突破；※※开发出适用于各种应用环境的工程化高效光催化反应系统与设备；光催化技术的应用领域不断拓展、新产品不断推出。光催化应用技术研究与开发迅速发展，关键技术不断取得突破●三、光催化应用研高究性进能展复－合总环体境情净况化材料及其应用的基础研究●当前第64页\共有87页\编于星期四\19点新兴光催化环保产业已在发达国家形成规模并呈现急剧增长的发展态势。●国内光催化环保产业起步晚、发展迅速、初具规模。由于我国环境污染形势更加严峻，对先进环保技术的需求更加迫切，市场前景更为广阔。三、光催化应用研高究性进能展复－合应环用境示净例化材料及其应用的基础研究室内空气净化大气净化

土壤净化当前第65页\共有87页\编于星期四\19点三、光催化应用研高究性进能展复－合应环用境示净例化材料及其应用的基础研究饮用水净化工业污水处理当前第66页\共有87页\编于星期四\19点三、光催化应用研高究性进能展复－合应环用境示净例化材料及其应用的基础研究国防军事当前第67页\共有87页\编于星期四\19点三、光催化应用研究进展－应用示例自清洁建筑材料自清洁抗雾玻璃当前第68页\共有87页\编于星期四\19点三、光催化应用研高究性进能展复展合－环应境用净示化例材料及其应用的基础研究医疗卫生当前第69页\共有87页\编于星期四\19点三、光催化应用研高究性进能展复展合－环福境州净大化学材料及其应用的基础研究当前第70页\共有87页\编于星期四\19点研制开发出多种提高光催化过程效率和解决光催化应用工程化关键问题的新技术、新方法和新装置，形成了比较完整和具有自主知识产权的光催化技术体系。光催化反应技术：反应系统与装置：光催化剂负载技术：基于H2

－O2耦合效应的高效光催化反应技术微波－光催化空气净化技术光－磁协同催化技术光－热协同作用高选择性氧化富氢气体中CO的技术负载化单分散纳米晶体制备技术金属基材表面光催化膜电泳制备方法光净化环保型涂料的制备与涂覆技术高压绝缘子表面涂层喷涂工艺及装置高效消除空气或水中污染物的复合光催化反应系统具有蜂巢结构的光热耦合空气净化器臭氧－光催化空气净化器三、光催化应用研高究性进能展复－合福环州境大净学化材料及其应用的基础研究（1）新型高效光催化剂及其工业生产技术开发研制出系列纳米高效光催化剂（光催化涂料），设计了生产工艺流程，开发出工业生产新技术。设计并建成可年产300吨纳米光催化剂生产线，实现了工业生产，产品得到广泛应用。当前第71页\共有87页\编于星期四\19点三、光催化应用研高究性进能展复－合福环州境大净化学材料及其应用的基础研究纳米固体超强酸光催化剂纳米溶胶光催化涂料负载型光催化剂当前第72页\共有87页\编于星期四\19点专用光催化剂部分光催化剂产品三、光催化应用研高究性进能展复展合－环福境州净大化学材料及其应用的基础研究（2）光催化空气净化器及其工业生产技术开发采用自制负载型固体超强酸光催化剂和开发的高效光催化反应技术，研制出用于室内空气净化的光催化空气净化器，对室内空气中典型污染物和细菌具有优异的净化效果，其性能大大优于国外同类产品。当前第73页\共有87页\编于星期四\19点净化器型号生产厂家主要功能光催化效率（C2

HCl3

去除率%）YKJ-180中国漳州万利达光催化科技有限公司分解有机污染物、去除有害无机气体、杀菌、除烟尘、清新空气96.9ACEF-3AS-W日本大气工业株式会社分解有机污染物、除烟尘22.9三、光催化应用高研性究能复展合－环福境州净化大材学料及其应用的基础研究开发了光催化空气净化器工业生产技术，与相关公司合作设计建成了可年产30万台光催化空气净化器生产线，实现了产业化。当前第74页\共有87页\编于星期四\19点三、光催化应用研高究性进能复－合福环州境大净学化材料及其应用的基础研究产品出口美国、俄罗斯、英国、德国、澳大利亚等国家；被国家经贸委评为“国家重点新产品”。当前第75页\共有87页\编于星期四\19点三、光催化应用研高究性进能展复－合福环州境大净化学材料及其应用的基础研究采用自制的纳米溶胶光催化剂和动态高压喷雾镀膜技术在陶瓷表面形成具有光催化活性的纳米膜，研制出直接利用太阳光分解表面油污和杀菌的光催化自清洁抗菌瓷砖。检测项目结果大肠埃希氏菌的杀菌率（%）100金黄色葡萄球菌的杀菌率（%）100白色念珠菌的杀菌率（%）100SO2去除率（%）96.2NO2去除率（%）90.5耐磨性（500r/750g）于星期四\19点0.0022g●（3）光催化自清洁抗菌建材及其工业生产技术开发光催化自清洁抗菌瓷砖