光催化原理(经典)

福州大学经典光催原理

光催化原理与应用Principles and Applications of Photocatalysis李旦振、王绪绪、刘平、付贤智

福州大学光催化研究所 国家环境光催化工程技术研究中心

福州大学经典光催原理

课程内容

高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究

一 绪论 二 半导体光催化原理 三 光催化材料的制备与表征

四 光催化技术应用

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一、绪论

(一)光催化简介 (二)光催化基础研究进展 (三)光催化应用研究进展

(四)光催化学科展望

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 一、光催化简介-学科发展背景

全面、和谐、可持续发展 是全球关注的主题

人与自然的和谐 是发展的基础

然而， 人类正面临严峻的生存挑战！!!▲ 能源危机 —— 化石能源煤、石油、天然气等在枯竭

▲ 环境污染 —— 大气、水、土壤等严重污染

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 一、光催化简介-学科发展背景

环 境 污 染能 源 紧 缺

路在何方 ？?? 政府重视、人民关心、

科学家在探索！

光催化技术： 最有前景的新技术之一

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一、光催化简介-学科发展背景 高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 ● 光催化技术是近年来迅速发展起来的可以利用太阳能进行环境净化和能源转化的新技术。能源光催化将低密度的太阳能转化为 高密度的化学能(氢能)

环境光催化通过光催化反应分解各种 污染物和杀灭细菌与病毒

- 导带H2O

Organics(甲醛、苯、PCB、二恶英、 染料、农药 )

H2, O2

价带 +

CO2, H2O 有用化学品Practical Applications

CO2, CH4Fundamental Research

光催化合成

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 一、光催化简介-学科基础与原理

●光催化学科是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学 和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。hv

H2 O

催化剂

→

还原H2 + ½ O 2

- 导带

C 6 H6 + 7 ½ O 2

→催化剂

hv

6 CO2 + 3H2O

价带 +

有机污染物 氧化

多相光催化过程本质上是光诱导的氧化-还原反应过程

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 一、光催化简介-技术特征

光催化环保技术的特征：可以直接利用太阳光净化环境 —— 绿色、节能 室温下彻底降解污染物 —— 特别是有毒难降解有机污染物 有效杀灭细菌、病毒 —— 包括典型致病菌、SARS、流感病毒 安全、无二次污染 —— 污染物被彻底氧化分解为CO2、H2O等无害产物 广谱、长效 —— 上百种应优先考虑的污染物几乎都可被降解，催化剂长期使用

吸附技术 生物降解技术催化氧化技术 高温焚烧技术

不能分解污染物、吸附饱和 使用周期短、二次污染 对难生物降解污染物无能为力 处理条

件要求苛刻 系统运行稳定性较差 能耗较高、催化剂中毒 反应副产物二次污染

光催化技术

能耗高、产物二次污染

吸附技术

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 一、光催化简介-应用领域

光催化技术在众多领域具有广阔的应用前景：化学工业 生物制药 国防军事

印染行业 家用电器

光催化技术应用

光能转化建材行业

医疗卫生

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 一、光催化简介-学科前沿 ● 光催化应用的重大科学与技术难题 技术难点难题一 : 量子效率低 (~4%) 难题二 : 太阳光利用低 (~5%) 难题三 : 工程化关键技术( 反应系统设计、催化剂负载、寿命…)

科学问题核心：高效光催化剂及构-效关系 关键：提高光催化过程效率的途径

本质：光催化过程的作用机理

还原

3.2 eV+有机污染物氧化

TiO2

从理论和应用上解决这些问题是国际光催化领域的研究前沿与热点

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 二、光催化基础研究进展-总体进展情况

近年来国内外针对光催化领域的重大科学与技术问题，开展了系统深入研究，在提高光催化过程效率、

实现可见光光催化过程和解决工程化关键技术问题等方面有所突破，光催化技术应用领域不断拓展。

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 二、光催化基础研究进展-总体进展情况 ● 国际光催化基础研究十分活跃，论文数量持续增加！

* 据 ISI 数据库检索，包括： ARTICLE, REVIEW, LETTER, NEWS ITEM,

EDITORIAL MATERIAL, CORRECTION 等。

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 二、光催化基础研究进展 -总体进展情况 ● 中国光催化研究已进入国际前沿， 2005 年以来我国的光

催化研究论文数已经跃居世界第一。

2008年发表论文的数量：中国 > 日本 > 美国 > 韩国…

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 二、光催化基础研究进展-新型光催化剂1.光催化的核心是光催化剂，近年来新型光催化剂研究取得重要 进展。采用多种先进的方法和手段，设计并制备出一系列具有 高效、高稳定性和可见光诱导性能的新型光催化剂，大大拓展 了光催化剂的多元性和应用可选择性。表面修饰 半导体复合 离子掺杂 固溶体形成 量子尺寸效应 水热合成 模板剂合成

能带调控结构调控 组成调控

活性

提高光催化性能

活性稳定性 可见光诱导

微波溶剂热合成 ……

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 二、光催化基础研究进展-新型光催化剂 设计制备的两大类、十二个系列的40多种新型光催化剂：TiO2基新型光催化剂● 纳米固体超强酸型光催化剂SO42-/TiO

2, SO42-/SiO2-TiO2, Pt- SO42-/ TiO2

非TiO2新型光催化剂● 非金属聚合物可见光光催化剂g-C3N4,mpg-C3N4,Fe/ g-C3N4

● 窄带无机半导体敏化型可见光光催化剂InVO4/TiO2,LaVO4/TiO2,PS/TiO2,PZT/TiO2

● 单一和多元金属氧化物纳米光催化剂β-Ga2O3,Zn2GeO4 ,Bi2WO6,PbBi2Nb2O9 , Bi2MoO6 , Sr2Sb2O7 , Zn2SnO4 , CaSnO3

● 金属或金属离子掺杂型光催化剂Pt/TiO2, M3+/TiO2 (M3+= Gd3+,La3+,Pr3+)

● 固溶体型纳米晶可见光光催化剂In(OH)ySz,ZnxCd1-xS ,M2+/ In(OH)ySz (Cu, Zn)

● 非金属掺杂型光催化剂TiO2-xNx/ZrO2 ,I7+-I-/TiO2 ,,

● 金属氢氧化物/硫化物纳米光催化剂In(OH)3 , InOOH , ZnIn2S4 , Sb2S3

● 分子筛光催化剂Fe/HZSM-5, Ag/ZSM-5,Fe/Y,Ti/MCM-41

● 具有分级结构的TiO2中空纤维光催化剂 ● 具有类分子筛结构的TiO2光催化剂

● Nafion膜负载的纳米光催化剂CdS/Nanfion,ZnO/Nafion

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高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究 二、光催化基础研究进展-新型光催化剂例 1

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