光催化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用-個人制作

1、半導(dǎo)體光催化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用1主要內(nèi)容一、半導(dǎo)體光催化技術(shù)的發(fā)展二、半導(dǎo)體光催化技術(shù)的理論基礎(chǔ)能帶理論三、半導(dǎo)體光催化機理四、納米TiO2光催化機理五、納米TiO2光催化技術(shù)的應(yīng)用2一、半導(dǎo)體光催化技術(shù)的發(fā)展1972年Fujishima和Honda在n-型半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光催化分解作用，揭開了光催化技術(shù)研究的序幕。1976年Garey用TiO2光催化劑脫除了多氯聯(lián)苯中的氯，1977年Frank光催化氧化CN-為OCN-，光催化技術(shù)在環(huán)保方面的應(yīng)用 研究開始啟動。近十幾年來，半導(dǎo)體光催化技術(shù)在環(huán)保、衛(wèi)生保健等方面的 應(yīng)用研究發(fā)展迅速，納米光催化成為國際上最活躍的研究領(lǐng) 域之一。3二

2、、半導(dǎo)體光催化技術(shù)的理論基礎(chǔ)能帶理論單個原子：由原子核和核外電子組成。電子的能量是一定的，這種量子態(tài)的能量成為能級。（軌道的不同能量狀態(tài)）電子軌道分別用1s,2s,2p,3s,3p,3d,.等符號表示，對應(yīng)不同電子能級，每個能級上只能容納兩個自旋方向相反的電子。4靠近原子核，受原子核約束強，能級低；遠離原子核，受原子核約束弱，能級高；電子從低能級躍遷到高能級，要吸收能量；電子從高能級躍遷到低能級，要放出能量；基態(tài)：能量最低；激發(fā)態(tài)：電子被激發(fā)到高能量軌道上。E1E2E35電子的共有化運動：當(dāng)原子相互接近形成晶體時，不同原子的內(nèi)外各電子殼層之間就有了一定程度的交疊，相鄰原子最外殼層的交疊最多，內(nèi)

3、殼層交疊較少。原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，因而，電子將可以在整個晶體中運動，這種運動就稱為電子的共有化運動。共有化運動只能在相似殼層間轉(zhuǎn)移6能級分裂：當(dāng)原子周期性排列形成晶體互相靠近時，每個原子中的電子除了受到本身原子勢場及其它電子作用外，還要受到其它原子勢場及其它大量電子的作用。同一能級上電子的能級都分裂為m個彼此相近的能級， m 稱為簡并度。晶體有N個原子，一個能級可分裂成mN個相近能級，形成能帶。7原子內(nèi)殼層電子能量低，能級分裂少，簡并度低，共有化程度低，能帶窄。外層電子能量高，能級分裂多，簡并度高，共有化程度高

4、，能帶寬。8滿帶：能量低的能帶中充滿電子，能帶稱為滿帶。導(dǎo)帶：最高能帶，全空或半空 ，電子未滿，稱為導(dǎo)帶。禁帶：兩個能帶間的區(qū)域。價帶：導(dǎo)帶下的滿帶，電子可躍遷到導(dǎo)帶。價帶9禁帶寬度Eg=Ec-Ev，其中Ec和Ev分別為導(dǎo)帶(conduction band)底和價帶(value band)頂對應(yīng)的能量。EcEv導(dǎo)帶價帶Eg10固體材料可以按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。絕緣體：禁帶寬度很大，絕緣體導(dǎo)帶為空帶，激發(fā)電子需要很大的能量，在通常溫度下，能激發(fā)導(dǎo)帶上的電子很少，因此導(dǎo)電性能差。如金剛石。導(dǎo)體：禁帶寬度比較大，導(dǎo)體的導(dǎo)帶為半滿帶。價帶導(dǎo)帶11半導(dǎo)體：禁帶寬度窄在通常溫度下就有不少電子

5、激發(fā)到導(dǎo)帶上，這些電子將參與導(dǎo)電；同時，價帶中由于少了一些電子，在價帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，價帶電子的這種導(dǎo)電作用等效于把這些空的量子狀態(tài)看成帶正電荷的準粒子的導(dǎo)電作用，常稱這些空的量子狀態(tài)為空穴。導(dǎo)帶價帶12 半導(dǎo)體中的載流子（1）電子：價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，形成了自由電子自由電子參與導(dǎo)電電子帶有負電荷半導(dǎo)體導(dǎo)電：兩種載流子運動形成（電子和空穴的定向漂移）。13（2）空穴：價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，價帶中就留下了一些空狀態(tài)激發(fā)一個電子到導(dǎo)帶，價帶中就出現(xiàn)一個空狀態(tài)把價帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，稱為空穴空穴帶有正電荷14hEg+-Conduction bandAa

6、dsAreducedAband gapValence bandDadsDDoxidizedsemiconductor particleOverall reaction: D+AhPCDoxidized +Areduced三、半導(dǎo)體光催化機理15要激發(fā)半導(dǎo)體的光催化活性，必須使其接受能量大于其禁帶寬度的光照射。而根據(jù)普朗克（Planck）方程（如式1.1所示），可以計算出能夠激發(fā)半導(dǎo)體的活性的光波波長（也就是光響應(yīng)范圍）。=hc/Eg 式中：為最大吸收波長/nm；h為普朗克常量，即 6.6310-34Js；c為光的真空速度，即為3.0108m/s；Eg為半導(dǎo)體的帶隙能/J。以TiO2為例，其Eg

7、為3.2eV，其最大吸收波長為388.5nm，正好落在紫外光波長范圍（200400nm）內(nèi)。16常用半導(dǎo)體光催化劑有：ZnS、TiO2、ZnO、CdS、SnO2、Fe3O4易發(fā)生光腐蝕，半導(dǎo)體的光腐蝕表現(xiàn)為陽極的溶解或陰極的表面還原 。而TiO2材料制成的光催化劑無毒、廉價、高效、性能穩(wěn)定，是當(dāng)前應(yīng)用最廣的光催化劑17四、納米TiO2光催化降解機理18光催化劑的納米尺寸效應(yīng) 量子效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體粒徑小于某一納米尺寸時，導(dǎo)帶和價帶間的能隙變寬，光生電子和空穴的能量增加，氧化還原能力增強表面積效應(yīng) 隨著粒子尺寸減小到納米級，光催化劑的比表面積大大增加，對底物的吸附能力增強載流子擴散效應(yīng) 粒徑越小，光

8、生電子從晶體內(nèi)擴散到表面的時間越短，電子和空穴的復(fù)合幾率減小，光催化效率提高19五、納米TiO2光催化技術(shù)的應(yīng)用 環(huán)保方面的應(yīng)用衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用防結(jié)霧和自清潔涂層20一 .無機污染物的光催化氧化還原光催化能夠解決Cr6+、Hg2+、Pd2+等重金屬離子的污染；分解轉(zhuǎn)化其它無機污染物，如CN-、NO2、H2S、SO2、NOx等二.有機化合物的光催化降解 環(huán)保方面的應(yīng)用有機物催化劑 光源 光解產(chǎn)物烴TiO2紫外CO2，H2O鹵代烴TiO2紫外HCl，CO2，H2O羧酸TiO2紫外，氙燈CO，H2，烷烴，醇，酮酸表面活性劑TiO2日光燈CO2，SO32-染料TiO2紫外CO2，H2O，無機離子，中

9、間物含氮有機物TiO2紫外CO32-，NO3-，NH4+，PO43-，F(xiàn)-等有機磷殺蟲劑TiO2紫外，太陽光Cr，PO43-，CO221納米TiO2在處理汽車尾氣中的應(yīng)用反應(yīng)副產(chǎn)品硝酸可在降雨過程中除去，而且雨水經(jīng)過大氣中粉塵的中和凡乎無酸性，從而達到凈化空氣的目的南京長江三橋橋北收費站的水泥混凝土路面利用TiO2光催化降解汽車尾氣22存在的問題納米TiO2基路面材料制備工藝需要更加完善納米TiO2基瀝青路面降解汽車尾氣的研究需要加強納米TiO2光催化產(chǎn)物對路面材料的影響需要更加深入的研究23衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用滅殺細菌和病毒 可用于生活用水的殺菌消毒；負載TiO2光催化劑的玻璃，陶瓷等是醫(yī)院、賓館、家庭等各種衛(wèi)生設(shè)施抗菌除臭的理想材料。O2- 和.OH與細菌細胞或細菌內(nèi)組分進行生化反應(yīng)，徹底殺死細菌，同時還能降解由細菌釋放出的有毒復(fù)合物，防止內(nèi)毒素引起二次污染。24防結(jié)霧和自清潔涂層在汽車后視鏡上涂覆一層氧化鈦薄膜，即使空氣中的水分或者水蒸氣凝結(jié)，冷凝水也不會形成單個水滴，而是形成水膜均勻地鋪展在表面，所以表面不會發(fā)生光散射的霧。當(dāng)有雨水沖過，在表面附著的雨水也會迅速擴散成為均勻的水膜，這樣就不會形成分散視線的水滴，使得后視鏡表面保持原有的光亮，提高行車的安全性。25在窗玻璃、建筑物的外墻磚、高速公路的護欄、路燈等表面涂覆一層