光催化材料的基本原理

1、精選二， 光催化材料的基本原理 半導體在光激發(fā)下，電子從價帶躍遷到導帶位置，以此，在導帶形成光生電子，在價帶形成光生空穴。利用光生電子-空穴對的還原氧化性能，可以降解四周環(huán)境中的有機污染物以及光解水制備H2和O2。 高效光催化劑必需滿足如下幾個條件： （1）半導體適當?shù)膶Ш蛢r帶位置，在凈化污染物應用中價帶電位必需有足夠的氧化性能，在光解水應用中，電位必需滿足產(chǎn)H2和產(chǎn)O2的要求。（2）高效的電子-空穴分別力量，降低它們的復合幾率。（3）可見光響應特性：低于420nm左右的紫外光能量或許只占太陽光能的4%，如何利用可見光乃至紅外光能量，是打算光催化材料能否在得以大規(guī)模實際應用的先決條件。常規(guī)a

2、natase-type TiO2 只能在紫外光響應，雖然通過攙雜改性，其吸取邊得以紅移，但效果還不夠抱負。 因此，開發(fā)可見光響應的高效光催化材料是該領域的爭辯熱點。只是，現(xiàn)在的爭辯狀況還不盡人意。三， 光催化材料體系的爭辯概況 從目前的資料來看，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)， 爭辯的比較多的是含Ti，Nb，Ta的氧化物或復合氧化物。其他的含W，Cr，F(xiàn)e，Co，Ni，Zr等金屬氧化物也見報道。個人感覺，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

3、已經(jīng)沒有多大潛力。目前，以日本學者J. Sato為代表的爭辯人員，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，但簡潔發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，較氧化物而言，穩(wěn)定性較差。主要有n，d等 氮化物：也有較低的帶系寬度，爭辯得不多。有a，b等體系 磷化物：爭辯很少，如a依據(jù)晶體/顆粒形貌分類： （1）層狀結(jié)構(gòu) *半導體微粒柱撐于石墨及自然/人工合成的層狀硅酸鹽 *層狀單元金屬氧化物半導體如：V2O5，MoO3，WO3等 *鈦酸，鈮酸，鈦鈮酸及其合成的堿（土）金屬離子可交換層狀結(jié)構(gòu)和半導體微粒柱撐于層間的結(jié)構(gòu) *含Bi層狀結(jié)構(gòu)材料，

4、(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+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 *層狀鉭酸鹽：RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm) （2）通道結(jié)構(gòu) 比較典型的為BaTi4O9，A2Ti6O13（A=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。爭辯認為，其性能主要歸咎于金屬-氧多面體中的非對稱性，產(chǎn)生了偶極距，從而有利于電子和空穴分別 （3）管狀結(jié)構(gòu)：在鈦酸鹽中爭辯較多 （4）晶須或多晶一維材料 經(jīng)由VLS，

5、VS，LS（如水熱合成，熔鹽法）機制可制備一維材料； 液相合成中的軟?；瘜W法制備介孔結(jié)構(gòu)的多晶一維材料 對于該種行貌的材料，沒有跡象表明，其光催化性能得以提高 （5）其他外形簡單的晶體或粉末顆粒 最典型的是ZnO材料，依據(jù)合成方法不同，其行貌也相當豐富四，提高光催化材料性能的途徑 （1）顆粒微細納米化 降低光生電子-空穴從體內(nèi)到表面的傳輸距離，相應的，它們被復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)能級可以成為光生載流體的捕獲阱，延長載流子的壽命。Choi以21種金屬離子對TiO2光催化活性的影響，表明Fe3+，Mo5+，Re5+，Ru3+，V4+，Rh3+

6、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+，Al3+，Mg2+，Zn2+，Ga2+，Nb5+，Sn4+對催化性影響甚微 非金屬：TiO2中N，S，C，P，鹵族元素等 對于摻雜，個人的生疏，其有如下效應： *電價效應：不同價離子的摻雜產(chǎn)生離子缺陷，可以成為載流子的捕獲阱，延長其壽命；并提高電導力量 *離子尺寸效應：離子尺寸的不同將使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生肯定的畸變，晶體不對性增加，提高了光生電子-空穴分別效果 *摻雜能級：摻雜元素電負性大小的不同，帶隙中形成摻雜能級，可實現(xiàn)價帶電子的分級躍遷，光響應紅移 （3）半導體復合 利用異種半導體之間的能帶結(jié)構(gòu)不同，復合后，如光生電子從A粉末表面輸出，而空穴從B表面導出。也即電子和空穴得到有效分別 （4）表面負載 將半導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）制備分子或團簇尺寸的光催化劑。 （5）表面光敏 利用具有較高重態(tài)的具有可見光吸取的有機物，在可見光激發(fā)下，電子從有機物轉(zhuǎn)移到半導體粉末的導帶上。該種方法不具有有用性，一方面，有機物的穩(wěn)定性值得質(zhì)疑；另一考慮的