光催化材料的基本原理.docx

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光催化材料的基本原理

二，光催化材料的基本原理

半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。

利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2。

高效光催化剂必须满足如下几个条件：

（1）半导体适当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必须满足产H2和产O2的要求。

（2）高效的电子-

空穴分离能力，降低它们的复合几率。

（3）可见光响应特性：

低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的4%，如何利用可见光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决条件。

常规anatase-typeTiO2只能在紫外光响应，虽然通过搀杂改性，其吸收边得以红移，但效果还不够理想。

因此，开发可见光响应的高效光催化材料是该领域的研究热点。

只是，现在的研究状况还不尽人意。

三，光催化材料体系的研究概况

从目前的资料来看，光催化材料体系主要可以分为氧化物，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，绝大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d区，研究的比较多的是含Ti，Nb，

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等金Zr，Co，Ni，Ta的氧化物或复合氧化物。

其他的含W，Cr，Fe

区过渡族金属元素氧化物经过炒菜d属氧化物也见报道。

个人感觉，目前，开发所谓的新体系光催化已经没有多大潜力。

式的狂轰乱炸后，

区元素氧p以日本学者J.Sato为代表的研究人员，已经把目光锁定在Bi元素的氧化物。

Sn，，Sb，In，Ge化物上，如含有Ga，

硫化物虽然有较小的禁带宽度，但容易发生光腐蚀现象，较硫化物：

Ｓ等Ｓ，Ｃd氧化物而言，稳定性较差。

主要有Ｚn

／Ｎ等ba／Ｎ，Ｎ氮化物：

也有较低的带系宽度，研究得不多。

有Ｔ

体系

Ｐa磷化物：

研究很少，如Ｇ颗粒形貌分类：

/按照晶体）层状结构1（）

/人工合成的层状硅酸盐**半导体微粒柱撑于石墨及天然

等MoO3，WO3V2O5**层状单元金属氧化物半导体如：

，

钛酸，铌酸，钛铌酸及其合成的碱（土）金属离子可交换层状结构**和半导体微粒柱撑于层间的结构Pb；（Bi2O2）2+（An-1BnO3n+1）2-（A=Ba，Bi，**含Bi层状结构材料，

层之间。

（Bi2O2）2+W），钙钛矿层（An-1BnO3n+1）2-夹在，，B=TiNb

Bi3TiNbO9

，Bi2W2O9Bi2WO6典型的有：

，精品资料

RbLnTa2O7（Ln=La,Pr,Nd,Sm）

**层状钽酸盐：

）通道结构

（2）

，等）。

这类结，LiNa（比较典型的为BaTi4O9，A2Ti6O13A=K，其性研究认为，构往往比层状结构材料具有更为优异的光催化性能。

氧多面体中的非对称性，产生了偶极距，从而有利-能主要归咎于金属于电子和空穴分离）管状结构：

在钛酸盐中研究较多3）（

）晶须或多晶一维材料）（4

（如水热合成，熔盐法）机制可制备一维材料；，LS经由VLS，VS液相合成中的软模化学法制备介孔结构的多晶一维材料对于该种行貌的材料，没有迹象表明，其光催化性能得以提高

）其他形状复杂的晶体或粉末颗粒（5）

ZnO材料，根据合成方法不同，其行貌也相当丰富最典型的是

四，提高光催化材料性能的途径

）颗粒微细纳米化1）（

空穴从体内到表面的传输距离，相应的，它们被复合-降低光生电子

的几率也大大降低。

）过度金属掺杂和非金属掺杂）（2延长载金属：

掺杂后形成的杂质能级可以成为光生载流体的捕获阱，光催化活性的影响，表明TiO221种金属离子对流子的寿命。

Choi以能够提高光催化活性，其Rh3+V4+Ru3+Re5+Mo5+Fe3+，，，，，精品资料

，Al3+Li+中Fe3+的效果最好。

具有闭壳层电子构型的金属离子如，

对催化性影响甚微Sn4+，Nb5+，Zn2+，Ga2+Mg2+，P，卤族元素等S，C，N非金属：

TiO2中，

对于掺杂，个人的认识，其有如下效应：

电价效应：

不同价离子的掺杂产生离子缺陷，可以成为载流子的捕**获阱，延长其寿命；并提高电导能力**离子尺寸效应：

离子尺寸的不同将使晶体结构发生一定的畸变，晶

空穴分离效果体不对性增加，提高了光生电子-掺杂能级：

掺杂元素电负性大小的不同，带隙中形成掺杂能级，可**实现价带电子的分级跃迁，光响应红移

）半导体复合）（3

粉末利用异种半导体之间的能带结构不同，复合后，如光生电子从AB表面导出。

也即电子和空穴得到有效分离表面输出，而空穴从

）表面负载4）（

硅石、分子将半导体纳米粒子固定技术在不同的载体上（多孔玻璃、筛等）制备分子或团簇尺寸的光催化剂。

）表面光敏5（）精品资料

电在可见光激发下，利用具有较高重态的具有可见光吸收的有机物，

一该种方法不具有实用性，子从有机物转移到半导体粉末的导带上。

方面，有机物的稳定性值得质疑；另一考虑的是经济因素）贵金属沉积（6）

Pt,Au,Pd,Rh,贵金属：

等Ni,Cu,Ag,

）外场耦合（7）

热场，电场，磁场，微波场，超声波场

目前，研究较多的是电场效应。

其他场的研究也不少见，效果一般精品资料

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