第十一章 半导体光催化.doc

论文题目： 半导体光催化综述 学生姓名： 龙立 学生学号： 20100920214 专业班级： 化学工程与工艺2班 学院名称： 化学化工学院 指导老师： 晁自胜 目录 摘 要 2 关键词 3 绪论 3 半导体光催化原理 3 半导体光催化反应影响因素 4 提高半导体光催化效率的方法 6 代表性光催化剂 8 应用 9 存在的问题和发展趋势 11 结论 11 参考文献 12 半导体光催化 摘 要 1972年Fujishima和Honda 在Nature杂志上发表的关于TiO2电极上光分解水的论文可以看作一个多相光催化新时代开始的标志。从那时起。来自化学、物理、材料等领域的学者围绕太阳能的转化和储存、光化学合成，探索多相光催化过程的原理，致力于提高光催化的效率。目前，光催化消除和降解污染物成为其中最为活跃的一个研究方向，并取得很多成果。目前在多相光催化研究中所使用的光催化剂大都是半导体。几乎在半导体的光催化特性被发现的同时，就开始试验各种半导体的光催化活性，并对其进行改性研究。本文将对半导体光催化剂的作用原理，改性研究，应用范围和研究进展及发展方向加以综述。 关键词：半导体光催化，原理，光催化效率，二氧化钛 绪论 半导体光催化是近30年发展起来的新兴研究领域。半导体光催化材料在光照射下，能够被光子所激活，实现电子或空穴流动，并在其表面上发生很强的氧化(或)还原作用，即反应体系在光催化下将吸收的光能直接转化为化学能，使许多通常情况下难以实现的反应在比较温和的条件下能够顺利进行。自80年代末，人们开始将光催化应用于环境污染控制领域，由于该技术能有效地破坏许多结构稳定的生物难降解污染物，与传统水处理技术相比，具有明显的节能、高效、污染物降解彻底等优点，且光催化技术易操作， 无二次污染，它已成为一种有重要应用前景的环境治理方法，引起了国内外学者的普遍重视。至今人们已对各种类型的半导体光催化反应进行了广 的研究，取得了一定的成就。目前，光催化广泛应用于太阳能电池，杀菌消毒、环境净化，医疗卫生等诸多方面，已显示出巨大的潜力和长久的生命力，根据月球上紫外光辐射强的特点，Tennakone甚至在1993年提出了以稳定的宽带隙半导体为光催化剂，利用光催化技术净化月球基地生活用水的可能性。 半导体光催化原理 1972年，FUJISHIMA等人在TiO2，电极上发现了光催化分解水的现象，从而开辟了半导体光催化这一新领域，这也是多相光催化新时代开始的标志。他们借鉴植物的光合作用原理设计了一个太阳光伏打电池，即在水中插入一个n型半导体二氧化钛电极和一个铂(铂黑)电极，当用波长低于415 nm的光照射二氧化钛电极时，可以发现在二氧化钛电极上有氧气释放，在铂电极上有氢气释放。这一现象的产生，是由于光照使半导体阳极产生了具有极高氧化还原的电子空穴对造成的。而半导体在上述过程中仅仅作为一种媒介，反应前后是不发生变化的。 随后的大量研究发现，即使直接将有金属铂沉积的二氧化钛悬浮于水中，在光照下也能使水分解，光催化正是在这个概念和方法的基础上发展起来的。 根据固体能带理论，半导体的基本能带结构是：存在一系列的满带，最上面的满带称为价带(VB)；存在一系列的空带，最下面的空带称为导带(CB)；价带和导带之间称为禁带，因而半导体的能带是不连续的。 当用能量等于或大于禁带宽度(Eg)的光照射时，半导体价带上的电子受光激发跃迁到导带，形成带负电的高活性电子；同时，在价带产生相应带正电的空穴，这样就在半导体内部生成电子(e-)一空穴(h+)对。光生空穴能够与吸附在催化剂表面的OH-或H2O发生反应生成·OH，它的氧化活性比空穴更高，能够氧化多种有机物并使其矿化。光激发产生的电子和空穴也可能在半导体内部或表面复合，如果没有适当的电子和空穴俘获剂，储备的能量在几毫秒内就会由于复合而消耗掉，而如果选用适当的俘获剂或表面空位来俘获电子或空穴，复合就会受到抑制。由上述光催化作用原理分析可知，光催化过程实际上包含氧化反应和还原反应两个过程，分别反映了光生空穴和光生电子的反应性能，同时二者又相互影响、相互制约。 以TiO2为例，经方程(1)产生的e-和h+除了可以直接与反应物作用，还可与吸附在催化剂上的其它电子受体或给体反应。溶氧条件下在液相中可能引发方程(2）—(11)所示的过程,产生多种高反应活性的自由基，发生有意义的氧化还原反应:e-能还原氧化性较强的金属离子生成金属单质，h+和H2O2及.OH、HO2.等自由基以其本身的强氧化性则可引发某些有机反应或氧化破坏许多化合物。 半导体光催化反应影响因素 催化剂结构 晶相结构 (1)晶型用作光催化的Ti02主要有锐钛型Ti02和金红石型两种晶型。由于晶胞八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同，使得金红石型Ti02表面吸