光催化原理

光催化的基本知识化学与药学院马永超化学与药学院主要内容光催化剂的定义光催化起源光催化材料光催化的原理光催化的应用催化剂是加速化学反应速率的化学物质，其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。化学与药学院液体催化剂固体催化剂光催化剂均相催化剂（酸、碱、可溶性过渡金属化合物和过氧化物）多相催化剂状态反应体系的相态化学与药学院起源光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术。我们也可以用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症治疗，高效率抗菌等多个前沿领域。化学与药学院化学与药学院什么材料可以作为光催化剂1氧化物半导体包括二氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2)2硫化物半导体包括二氧化锆(ZrO2)，硫化镉(CdS)3其他在早期，也曾较多使用硫化镉（CdS)和氧化锌（ZnO)作为光催化材料，但是由于这两种化合物的化学性质不稳定，它们会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物活性。所以发达国家现在已经很少将它们用作民用光催化材料，只是在部分工业光催化领域还在应用化学与药学院二氧化钛(TitaniumDioxide)因其具有良好的抗光腐蚀性和催化活性（氧化能力强）；而且性能稳定；价廉易得；无毒无害，是目前公认的最佳光催化剂。化学与药学院二氧化钛的晶体结构板钛矿（brookite)锐钛矿（anatast)金红石（rutile）晶体结构二氧化钛其中只有锐钛矿和金红石具有光催化特性化学与药学院光催化原理化学与药学院半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带(ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。半导体的光吸收阈值与带隙的关系：K=1240/Eg(eV)因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。化学与药学院光催化原理第二步第三步第一步当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。化学与药学院具有Anatase或者Rutile结构的体相二氧化钛在具有一定能量的光子激发下[光子激发原理参考光触媒反应原理]能使分子轨道中的电子离开价带(Valenceband)跃迁至导带(conductionband)。从而在材料价带形成光生空穴[Hole+]，在导带形成光生电子[e-],在体相二氧化钛中由于二氧化钛颗粒很大，光生电子在到达导带开始向颗粒表面活动的过程中很容易与光生空穴复合，从而从宏观上我们无法观察到光子激发的效果。普通的二氧化钛一般称为体相半导体，这是与纳米二氧化钛相区别的。普通二氧化钛的光催化特性：二氧化钛的光催化原理化学与药学院由于光生电子和光生空穴都有很强的能量，远远高出一般有机污染物的分子链的强度，所以可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态。同时光生空穴还能与空气中的水分子形成反应，产生氢氧自由基亦可分解有机污染物并且杀灭细菌病毒。这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技术典型的应用，一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。纳米粒子的比表面积远远大于常规材料，一粒大米粒大小的纳米材料其表面积会相当于一个足球场那么大，高比表面使得纳米材料具有强大的吸附物的能力。但是纳米的二氧化钛颗粒由于尺寸很小，所以电子比较容易扩散到晶体表面，导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区-光生电子和光生空穴。化学与药学院从上面介绍我们可以看到，二氧化钛的光催化反应过程，很大程度依靠第一步的光子激发，所以有足够激发二氧化钛的光子，才能提供足够的能量，我们也可以知道，光催化反应并不是凭空产生的它也是需要消耗能量的，符合能量守恒原则，它消耗的是光子，也就是光能。如果是太阳光照射光触媒就利用太阳能，灯光就是利用光能。联合国将光触媒开发列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。化学与药学院能激发二氧化钛的光子什么样的光子能激发二氧化钛呢？光子的能量E与波长λ(Lambda)的关系：E=hC/λ从理论结构上来说，锐钛二氧化钛的导带与价带之间的间隙（能隙）是3.2eV，而金红石二氧化钛为3.0eV。虽然锐钛矿需要略多的能量来激发，但是同样的锐钛矿的二氧化钛光触媒具有更强的氧化能力，所以被更为广泛的使用。所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳米光触媒采用锐钛型的原因。化学与药学院光催化应用技术光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物。光催化净化技术的特点：半导体光催化剂化学性质稳定，氧化还原性强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长；直接用空气中的氧气做氧化剂，反应条件温和（常温常压），具有室温深度氧，二次污染小；可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果彻底。光催化特别合适室内挥发有机物的净化，在深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。化学与药学院同一个世界，同一个梦想化学与药学院