光催化材料的基本原理

1、二，光催化材料的基本原理半導(dǎo)體在光激發(fā)下，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶位置，以此，在導(dǎo)帶形成光生電子，在價(jià)帶形成光生空穴。利用光生電子-空穴對(duì)的復(fù)原氧化性能，可以降解周圍環(huán)境中的有機(jī)污染物以及光解水制備H2和02。高效光催化劑必須滿足如下幾個(gè)條件：1半導(dǎo)體適當(dāng)?shù)膶?dǎo)帶和價(jià)帶位置，在凈化污染物應(yīng)用中價(jià)帶電位必須有足夠的氧化性能，在光解水應(yīng)用中，電位必須滿足產(chǎn)H2和產(chǎn)02的要求。2高效的電子-空穴別離能力，降低它們的復(fù)合幾率。3可見光響應(yīng)特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太陽(yáng)光能的4%,如何利用可見光乃至紅外光能量，是決定光催化材料能否在得以大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的先決條件。常規(guī)anatase-typeT

2、i02只能在紫外光響應(yīng)，雖然通過攙雜改性，其吸收邊得以紅移，但效果還不夠理想。因此，開發(fā)可見光響應(yīng)的高效光催化材料是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。只是，現(xiàn)在的研究狀況還不盡人意。三，光催化材料體系的研究概況從目前的資料來(lái)看，光催化材料體系主要可以分為氧化物，硫化物，氮化物以及磷化物氧化物：最典型的主要是TiO2及其改性材料。目前，絕大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d區(qū)，研究的比較多的是含Ti,Nb,Ta的氧化物或復(fù)合氧化物。其他的含W,Cr,Fe,Co,Ni,Zr等金屬氧化物也見報(bào)道。個(gè)人感覺，d區(qū)過渡族金屬元素氧化物經(jīng)過炒菜式的狂轟亂炸后，開發(fā)所謂的新體系光催化已經(jīng)沒有多大潛力。目前,以日本學(xué)者J.

3、Sato為代表的研究人員，已經(jīng)把目光鎖定在p區(qū)元素氧化物上，如含有Ga,Ge,Sb,In,Sn,Bi元素的氧化物。硫化物：硫化物雖然有較小的禁帶寬度，但容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，較氧化物而言，穩(wěn)定性較差。主要有ZnS,CdS等氮化物：也有較低的帶系寬度，研究得不多。有Ta/N,Nb/N等體系磷化物：研究很少，如GaP按照晶體/顆粒形貌分類：1層狀結(jié)構(gòu)*半導(dǎo)體微粒柱撐于石墨及天然/人工合成的層狀硅酸鹽*層狀單元金屬氧化物半導(dǎo)體如：V2O5,MoO3,WO3等*鈦酸，錠酸，鈦錠酸及其合成的堿土金屬離子可交換層狀結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體微粒柱撐于層間的結(jié)構(gòu)*含Bi層狀結(jié)構(gòu)材料，(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+

4、1)2-(A=Ba,Bi,Pb;B=Ti,Nb,W)，鈣鈦礦層(An-1BnO3n+1)2-夾在(Bi2O2)2+層之間。典型的有：Bi2WO6,Bi2W2O9,Bi3TiNbO9*層狀鋰酸鹽：RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm)2通道結(jié)構(gòu)比較典型的為BaTi4O9,A2Ti6O13A=K,Na,Li,等。這類結(jié)構(gòu)往往比層狀結(jié)構(gòu)材料具有更為優(yōu)異的光催化性能。研究認(rèn)為，其性能主要?dú)w咎于金屬-氧多面體中的非對(duì)稱性，產(chǎn)生了偶極距，從而有利于電子和空穴別離3管狀結(jié)構(gòu)：在鈦酸鹽中研究較多4晶須或多晶一維材料經(jīng)由VLS,VS,LS如水熱合成，熔鹽法機(jī)制可制備一維材料；液相合成中的軟?；瘜W(xué)法制

5、備介孔結(jié)構(gòu)的多晶一維材料對(duì)于該種行貌的材料，沒有跡象說明，其光催化性能得以提高5其他形狀復(fù)雜的晶體或粉末顆粒最典型的是ZnO材料，根據(jù)合成方法不同，其行貌也相當(dāng)豐富四，提高光催化材料性能的途徑1顆粒微細(xì)納米化降低光生電子-空穴從體內(nèi)到外表的傳輸距離，相應(yīng)的，它們被復(fù)合的幾率也大大降低。2過度金屬摻雜和非金屬摻雜金屬：摻雜后形成的雜質(zhì)能級(jí)可以成為光生載流體的捕獲阱，延長(zhǎng)載流子的壽命。Choi以21種金屬離子對(duì)TiO2光催化活性的影響，說明Fe3+,Mo5+,Re5+,Ru3+,V4+,Rh3+能夠提高光催化活性，其中Fe3+的效果最好。具有閉殼層電子構(gòu)型的金屬離子如Li+,A13+,Mg2+,Z

6、n2+,Ga2+,Nb5+,Sn4+對(duì)催化性影響甚微非金屬：TiO2中N,S,C,P,鹵族元素等對(duì)于摻雜，個(gè)人的認(rèn)識(shí)，其有如下效應(yīng)：*電價(jià)效應(yīng)：不同價(jià)離子的摻雜產(chǎn)生離子缺陷，可以成為載流子的捕獲阱，延長(zhǎng)其壽命；并提周電導(dǎo)能力*離子尺寸效應(yīng)：離子尺寸的不同將使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的畸變，晶體不對(duì)性增加，提高了光生電子-空穴別離效果*摻雜能級(jí)：摻雜元素電負(fù)性大小的不同，帶隙中形成摻雜能級(jí)，可實(shí)現(xiàn)價(jià)帶電子的分級(jí)躍遷，光響應(yīng)紅移3半導(dǎo)體復(fù)合利用異種半導(dǎo)體之間的能帶結(jié)構(gòu)不同，復(fù)合后，如光生電子從A粉末外表輸出，而空穴從B外表導(dǎo)出。也即電子和空穴得到有效別離4外表負(fù)載將半導(dǎo)體納米粒子固定技術(shù)在不同的載體上多孔玻璃、硅石、分子篩等制備分子或團(tuán)簇尺寸的光催化劑。5外表光敏利用具有較高重態(tài)的具有可見光吸收的有機(jī)物，在可見光激發(fā)下，電子從有機(jī)物轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體粉末的導(dǎo)帶上。該種方法不具有實(shí)用性，一方面，有機(jī)物的穩(wěn)定