光催化與鋰離子電池課件

光催化鋰離子電池光催化1光催化

光催化的概念光催化原理二氧化鈦光催化劑光催化的應(yīng)用與光解水制氫

光催化2何謂光催化凈化？光催化劑（一般為半導(dǎo)體材料）在光(可見光或者紫外光)的照射下，通過把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而具有氧化還原能力，使化合物（有機物、無機物）被降解的過程稱為光催化凈化。何謂光催化凈化？光催化劑（一般為半導(dǎo)體材料）在光(可見光或者3從光合作用這種最簡單的光催化反應(yīng)，總結(jié)下一個光催化反應(yīng)發(fā)生的三個基本條件：葉綠素---光催化劑光------特定波長范圍（400-600nm之間最佳），非所有光都可以反應(yīng)物----二氧化碳和水光催化劑----一般為半導(dǎo)體材料光-------也是特定波長范圍，非所有光都可以，一般處于紫外線范圍的光的效果最佳。反應(yīng)物----室內(nèi)空氣中的有機物光催化凈化反應(yīng)的三個基本條件：從光合作用這種最簡單的光催化反應(yīng)，總結(jié)下一個光催化反應(yīng)發(fā)生的4

光觸媒[PHOTOCATALYSIS]

光[Photo=Light]+觸媒(催化劑)[catalyst]的合成詞。光觸媒是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，光觸媒是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來產(chǎn)生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的OH.及O2-自由負離子。幾乎可分解所有對人體和環(huán)境有害的有機物質(zhì)及部分無機物質(zhì)，不僅能加速反應(yīng)，亦能運用自然界的定侓，不造成資源浪費與附加污染形成。光觸媒[PHOTOCATALYSIS5幾種常用的光觸媒TiO2、CdS、WO3、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等納米光觸媒：CdS,Fe2O3,TiO2,ZnO等TiO2的優(yōu)點：催化活性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低、無毒因此被廣泛應(yīng)用幾種常用的光觸媒TiO2、CdS、WO3、ZnO、Z6光催化與鋰離子電池ppt課件7當光能等于或超過半導(dǎo)體材料的帶隙能量時，電子從價帶(VB)激發(fā)到導(dǎo)帶(CB)形成光生電子-空穴。價帶空穴是強氧化劑，而導(dǎo)帶電子是強還原劑。空穴與H2O或OH-結(jié)合產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)極為活潑的自由基基團（HO

.

）電子與O2結(jié)合也會產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)極為活潑的自由基基團(.O2-,HO

.

等)空穴，自由基都有很強的氧化性，能將有機物直接氧化為CO2,H2OA:半導(dǎo)體吸收光，產(chǎn)生電子和空穴的過程B:電子和空穴表面復(fù)合過程C:電子和空穴體內(nèi)復(fù)合過程D:還原過程E:氧化過程當光能等于或超過半導(dǎo)體材料的帶隙能量時，電子從價帶(VB)激8其中，光催化分解反應(yīng)機理如下：其中，光催化分解反應(yīng)機理如下：9二氧化鈦表面光致電子和光致空穴的產(chǎn)生與流向TiO2催化劑二氧化鈦表面光致電子和光致空穴的產(chǎn)生與流向TiO210導(dǎo)帶價帶TiO2光催化反應(yīng)機理導(dǎo)帶價帶TiO2光催化反應(yīng)機理11當以波長小于385nm的光照射TiO2表面時，價帶電子能夠被激發(fā)產(chǎn)生光生電子空穴對，同時激發(fā)態(tài)的導(dǎo)帶電子和價帶空穴又能重新合并，使光能以熱能或其他形式散發(fā)掉，如下式所示：

當TiO2催化劑存在合適的俘獲劑時（如H2O或O2），電子和空穴的重新復(fù)合得到抑制，在它們復(fù)合之前，就會在光催化劑表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)：

表面的羥基自由基具有很強的催化氧化降解作用---降解污染物當以波長小于385nm的光照射TiO2表面時，價帶電子能夠被12TiO2膜是由許多TiO2微小顆粒構(gòu)成的呈交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔-微晶立體膜。膜的真實比表面很大，對光的吸收十分有利。

TiO2膜是由許多TiO2微小顆粒構(gòu)成的呈交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔13TiO2光催化降解的優(yōu)點和不足能耗低，反應(yīng)條件溫和，在紫外光和太陽光照射下就可以發(fā)生反應(yīng)反應(yīng)速度快，有機污染物可在幾分鐘到數(shù)小時內(nèi)被完全破壞降解沒有選擇性，幾乎能降解任何有機物。消除二次污染，礦化產(chǎn)物為無機離子，CO2，H2O廉價，無毒TiO2光催化反應(yīng)催化劑易分離和重復(fù)使用優(yōu)勢TiO2光催化降解的優(yōu)點和不足能耗低，反應(yīng)條件溫和，在紫外光14大都以汞燈為光源進行光催化降解，很少利用太陽光作為光源懸浮型和負載型光催化反應(yīng)器中催化劑和光源的利用率不高光生電子-空穴對的轉(zhuǎn)移速度慢，復(fù)合率較高，導(dǎo)致光催化效率低，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低通常只能用紫外光活化，太陽光利用率低不足大都以汞燈為光源進行光催化降解，很少利用太陽光作為光源不足15

提高TiO2光催化活性的途徑

目前的TiO2光催化劑存在兩個問題：

①效率低②只能吸收紫外光解決方法：修飾提高TiO2光催化活性的途徑目前的TiO2光16貴金屬沉積沉積Ag后的TiO2光催化性能貴金屬沉積沉積Ag后的TiO2光催化性能17復(fù)合半導(dǎo)體CdS吸收可見光產(chǎn)生電子和空穴，電子會從CdS的導(dǎo)帶流向更穩(wěn)定的TiO2的導(dǎo)帶，并在TiO2的導(dǎo)帶富集，而空穴會富集在CdS的價帶，有效分離光生電子與空穴，提高了光催化結(jié)果復(fù)合半導(dǎo)體CdS吸收可見光產(chǎn)生電子和空穴，電子會從CdS的導(dǎo)18離子摻雜修飾

金屬離子摻雜非金屬金屬離子摻雜Fe3+、Co2+、Cr3+

碳、氮、硫及鹵素

金屬離子可捕導(dǎo)帶中的電子，抑制電子和空穴的復(fù)合，但是摻雜濃度過高，金屬離子可能成為電子空穴復(fù)合中心。兩者綜合作用的結(jié)果就形成一個波峰，金屬離子的摻雜濃度對TiO2光催化效果的影響通常呈現(xiàn)拋物線關(guān)系。離子摻雜修飾金屬離子摻雜非金屬金屬離子摻雜Fe3+、Co219表光催化降解部分有機污染物TiO2光催化降解有機污染物應(yīng)用表光催化降解部分有機污染物TiO2光催化降解有機20光催化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域光催化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域211972年Fujishima和Honda首次報道了可在以TiO2為光陽極的光電化學(xué)電池中,用紫外光照射光陽極使水分解為H2和O2,這是具有“里程碑”意義的一個重要發(fā)現(xiàn),這預(yù)示著人們能利用廉價的太陽能通過半導(dǎo)體催化使水分解從而獲得清潔的氫燃料。1972年Fujishima和Honda22光催化分解水的反應(yīng)機理1.absorptionofphotonstoformelectron–holepairs.2.chargeseparationandmigrationofphotogeneratedcarriers.

3.Constructtheactivesitesforredoxreactions.h+e-Reduction

OxidationCBVBH2OO2H+H2H+/H2（SHE＝0V）O2/H2（E＝1.23V）e-e-+h+e-+h+e-h+h+hνBulkrecombinationSurfacerecombination光催化分解水的反應(yīng)機理1.absorptionofpho23半導(dǎo)體微粒要完全分解水必須滿足如下基本條件：

①半導(dǎo)體微粒禁帶寬度即能隙必須大于水的分解電壓理論值1.23eV;②光生載流子(電子和空穴)的電位必須分別滿足將水還原成氫氣和氧化成氧氣的要求。具體地講,就是光催化劑價帶的位置應(yīng)比O2/H2O的電位更正,而導(dǎo)帶的位置應(yīng)比H2/H2O更負;③光提供的量子能量應(yīng)該大于半導(dǎo)體微粒的禁帶寬度。λ6831.80eVλ4003.07eV半導(dǎo)體微粒要完全分解水必須滿足如下基本條件：λ6831.824常見半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)-1.00.01.02.03.0SrTiO3TiO2SnO23.2eV3.23.8WO32.8Ta2O5ZrO2Nb2O5H+/H2（E＝0V）4.65.03.43.23.6ZnOZnSSiC3.0Evs.SHE(pH=0)/eVCdSO2/H2O（E＝1.23V）2.4絕大部分只能吸收不到5％的太陽光(紫外部分)!常見半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)-1.00.01.02.03.0Sr25半導(dǎo)體復(fù)合型光催化劑半導(dǎo)體復(fù)合的目的在于促進體系光生空穴和電子的分離，以抑制它們的復(fù)合，本質(zhì)上可以看成是一種顆粒對另一種顆粒的修飾，其修飾方法包括簡單的組合，摻雜，多層結(jié)構(gòu)和異相組合，插層復(fù)合等。

半導(dǎo)體復(fù)合型光催化劑半導(dǎo)體復(fù)合的目的26層間插入CdS復(fù)合物光催化反應(yīng)的

電子遷移模型研究最多的是CdS—TiO2體系

CdS在激發(fā)過程中產(chǎn)生的空穴留在其價帶中,而電子則從CdS導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO2導(dǎo)帶中,這明顯地增大了電荷分離和光催化反應(yīng)效率.CdSVBCBhνVBCBDD＋TiO2-layere-H2OH2h+2.4eV3.2eV層間插入CdS復(fù)合物光催化反應(yīng)的

電子遷移模型研究最多的是C27在光催化劑(CdS)表面共擔載還原(Pt)和氧化(PdS)雙組份共催化劑，有效地解決了電子和空穴的分離和傳輸問題，利用犧牲試劑在可見光照射下取得了93%的產(chǎn)氫量子效率，已經(jīng)接近自然界光合作用原初過程的量子效率水平。由于氧化共催化劑的擔載有效地避免了光催化劑的光腐蝕現(xiàn)象，使該三元催化劑表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性，顯示出重要的工業(yè)應(yīng)用前景。在光催化劑(CdS)表面共擔載28光催化與鋰離子電池ppt課件29染料敏化光催化分解水制氫

染料敏化是利用太陽能的一個非常有效手段,在染料敏化的太陽能電池研究中取得了巨大的成就.一些具有合適的氧化還原電位、對可見光吸收效率較高的染料都可以應(yīng)用到染料敏化光催化領(lǐng)域.染料敏化半導(dǎo)體一般涉及3個基本過程:染料的吸附、吸附態(tài)染料被激發(fā)、激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶上。染料敏化光催化分解水制氫30

鋰離子電池

TheMagicBatteries

成員：謝秋霞1005100203田華麗1005100208王春貌1005100508張芬1005100620成員：31鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)鋰離子電池的工作原理與組裝技術(shù)正極材料負極材料電解質(zhì)電極材料研究方法鋰離子電池應(yīng)用與展望鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)32

鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)鋰離子電池的工作原理與組裝技術(shù)正極材料負極材料電解質(zhì)電極材料研究方法鋰離子電池應(yīng)用與展望鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)33

鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)34鋰離子的英文為Lithium,化學(xué)符號Li,其處于元素周期表的S區(qū)，堿金屬；為第一周期元素。

鋰的熔點、硬度高于其他堿金屬，其導(dǎo)電性則較弱。鋰離子的英文為Lithium,化學(xué)符號Li,其處于元素35鋰與空氣反應(yīng)4Li+O22Li+O2鋰與水反應(yīng)2Li+2H2O鋰與鹵素反應(yīng)2Li+F22Li+Cl2

2Li+Br2

2Li+I2鋰與硫酸反應(yīng)2Li+H2SO4鋰的某些化學(xué)反應(yīng)2Li2O

Li2O22LiOH+H22LiF2LiCl2LiBr2LiI2Li++SO42-+H2鋰與空氣反應(yīng)4Li+O2鋰的某些化學(xué)反應(yīng)2L36鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)

鋰離子電池的工作原理與組裝技術(shù)

正極材料負極材料電解質(zhì)電極材料研究方法鋰離子電池應(yīng)用與展望鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)37鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來的鋰電池的負極材料是鋰金屬，正極材料是碳材:鋰電池。

鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰，負極材料是碳材。電池通過正極產(chǎn)生的鋰離子在負極碳材中的嵌入與遷出來實現(xiàn)電池的充放電過程，為了區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的鋰電池，所以人們稱之為鋰離子電池。

鋰離子電池與鋰電池在鋰離子電池中，鋰永遠以鋰離子的形態(tài)出現(xiàn)，不會以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)，就不會出現(xiàn)燃燒、爆炸等危險。鋰離子在陽極和陰極之間移動，電極本身不發(fā)生變化。這是鋰離子電池與鋰電池本質(zhì)上的差別。從而使鋰電真正達到了安全、高效、方便，而老的鋰電也隨之淘汰了。區(qū)分它們的方法也相當簡單：從電池的標識上就能識別，鋰電的標識為Li，而鋰離子電池為Li-ion鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來的鋰離子電池與鋰電池在鋰離子電池38

鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當對電池進行39

工作原理鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。以碳素材料為負極，含鋰的化合物為正極。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。工作原理鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池40目前市場上的鋰離子電池主要有三種類型，即紐扣式、方形和圓柱形。鋰離子電池在結(jié)構(gòu)上主要有五大塊：正極、

負極、電解液、隔膜、外殼與電極引線。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)主要分卷繞式和層疊式兩大類。目前市場上的鋰離子電池主要有三種類41具有代表性的圓柱形鋰離子電池構(gòu)造圖具有代表性的圓柱形鋰離子電池構(gòu)造圖42鋰離子電池的基本組成正極材料（LiCoO2、LiMn2O4）負極材料（碳基負極材料）電解質(zhì)（LiPF6）隔膜（PE）黏結(jié)劑（CMC、SBR、PVDF溶劑體系）鋰離子電池的基本組成正極材料（LiCoO2、LiMn2O443鋰離子電池生產(chǎn)流程圖鋰離子電池生產(chǎn)流程圖44鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)鋰離子電池的工作原理與組裝技術(shù)

正極材料負極材料電解質(zhì)電極材料研究方法鋰離子電池應(yīng)用與展望鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)45正極材料按材料種類可分為無機材料、復(fù)合材料、聚合物材料三種。具有代表性的無機材料是LiCoO2。正極材料按材料種類可分為無機材料、復(fù)合材料、聚合物材料三種。46正極材料的制備方法溶劑熱法合成高溫反應(yīng)法溶膠-凝膠法低溫固相反應(yīng)法電化學(xué)合成法機械化學(xué)活化法不同制備方法合成LiMn2O4的循環(huán)性能圖正極材料的制備方法溶劑熱法合成不同制備方法合成LiMn2O447鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)鋰離子電池的工作原理與組裝技術(shù)正極材料

負極材料電解質(zhì)電極材料研究方法鋰離子電池應(yīng)用與展望鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)48

負極材料是鋰離子電池的主要組成部分，負極材料性能的好壞直接影響到鋰電池的性能。

高能便攜電源的需求激增，加大了對鋰離子小電池的需求，高容量、有著可靠循環(huán)性的負極材料成為人們研究的重點。

大容量動力電池的的應(yīng)用，加大了對電池材料，尤其是高性能負極材料的需求。

負極材料的重要性

負極材料是鋰離子電池的主要組成部分，負極材料性能49鋰電池負極材料碳負極材料錫基負極材料含鋰過渡金屬氮化物負極材料合金類負極材料納米級負極材料納米氧化物材料石墨類碳材料無定形碳材料天然石墨人工石墨改性石墨軟碳硬碳鋰電池負極材料碳負極材料石墨類碳材料無定形碳材料天然石墨人工50碳負極材料目前已經(jīng)實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。碳負極材料目前已經(jīng)實際用于鋰離子電池的51鋰元素的物理、化學(xué)性質(zhì)鋰離子電池的工作原理與組裝技術(shù)正極材料負極材料電解質(zhì)電極材料研究方法鋰離子電池應(yīng)用與展望