光催化导论.docVIP

1二氧化钛的常见晶相结构有哪几种？哪种光催化活性最高？哪种最适合做颜料？哪种带隙最宽。 答：锐钛矿相、金红石相和板钛矿相成为TiO2主要的三种晶型。锐钛矿相光催化活性最高。金红石相带隙最宽并且最适合做颜料。 本课程中讲到的二氧化钛的最重要的两种特性是什么？ 答：光催化活性、超亲水性。 4. 在光催化研究和应用中，主要存在的科学问题和技术难题。 量子效率低（～4%），难以处理量大且浓度高的工业废气和废水；太阳能利用率低。由于二氧化钛半导体的能带结构（Eg＝3．2 eV）决定了其只能吸收利用太阳光中的紫外线部分；光催化剂的负载技术。难以在既保持较高的光催化活性又满足特定材料的理化性能要求的前提下在不同材料表面均匀，牢固地负载上光催化剂；纳米氧化钛的超亲水性机理和成膜技术的研究。 6. 溶胶凝胶法合成纳米TiO2粉末光催化剂的过程是怎样的？ 溶胶-凝胶技术制备纳米TiO2的过程以及水用量（浓度）对反应有何影响？ TiO2材料的溶胶-凝胶法制备过程通常由烷氧基钛的酸催化水解以及随后发生的缩聚两个步骤组成；一般以钛醇盐Ti(OR)4 (R = -C2H5, -C3H7, C4H9)为原料：钛醇盐首先溶于溶剂中形成均相溶液；钛醇盐与水发生水解反应，同时发生失水和失醇缩聚反应，生成物聚集形成溶胶；经陈化，溶胶形成三维网络而形成凝胶；干燥凝胶以除去残余水分、有机基团和有机溶剂，得到干凝胶；干凝胶研磨后煅烧，除去化学吸附的羟基和烷基团，以及物理吸附的有机溶剂和水，最后得到纳米TiO2粉体。 Ti(OR)4 + 4H2OàTi(OH)4 +4HOR (水解) Ti(OH)4+Ti(OH)4à(HO)3Ti-O-Ti(OH)3 (缩聚) (HO)3Ti-O-Ti(OH)3 +Ti(OH)4 à(HO)3Ti-O-Ti(OH)2-O-Ti(OH)3 àTinO2n-x(OH)2x 水的浓度即用量非常重要。 低浓度的水以及随之而来的低的水解速率以及溶液中过量的烷氧基钛有利于Ti-O-Ti链的生长。Ti-O-Ti链的生长最终导致闭合的三维聚合骨架即高结晶度的TiO2纳米粒子的生成；中等浓度的水则导致高的水解速率和大量的Ti(OH)4的生成。大量的Ti-OH的存在以及不完全的三维聚合骨架使得最终得到的TiO2表现为松散堆积的一次粒子；在有大量的水存在的条件下，Ti-O-Ti链最终能够实现高度的缩合，其构成的溶胶骨架在三维上高度发展形成密堆积的一次粒子。 7. 解释溶胶凝胶法制备TiO2纳米材料时强酸性溶液易生成金红石二氧化钛，而中性条件下易生成锐钛矿二氧化钛的原因？（根据奥斯特瓦尔德递进法则解释） 奥斯特瓦尔德递进法则认为对于同质异形体的形成和晶格转变中，并不是直接形成最稳定的晶相，而是先生成最不稳定的晶相，然后随着时间的推移，第次转化到一个热力学更稳定的相，直至最后生成最稳定的相。 不同相之间的转变需要温度、时间等因素的配合。因此，利用温度、时间等制备参数的调节使得人们可以将同质异形体定格在某一亚稳晶相。 在溶胶-凝胶法合成TiO2过程中，强酸性条件有利于金红石相的生成，而中性条件则有利于锐钛矿相的形成。 在钛源的水解缩聚过程中，存在Ti(OH)22+/金红石，Ti(OH)22+/锐钛矿的热力学平衡。pH值为0.0 - 1.5时，Ti(OH)22+、金红石、锐钛矿三者之间的势能存在mr mi ma或是mr ma mi的关系 (其中mr、 ma 、mi 分别为金红石、锐钛矿和Ti(OH)22+的化学势能)。 根据奥斯特瓦尔德递进法则, 前一条件下Ti(OH)22+缩聚形成金红石，而后一条件下则生成和Ti(OH)22+势能更为接近的亚稳相锐钛矿。 8. 影响二氧化钛光催化剂活性有哪些主要因素，它们与光与催化活性之间的关系如何？ 晶型的影响， 锐钛矿型和金红石型这两种晶型都有光催化活性，但一般而言，锐钛矿型TiO2的光催化活性要比金红石型高，其原因在于： （1）金红石型TiO2的禁带宽度较小（锐钛矿的Eg=3.2ev，金红石的Eg=2.97ev），其较正的导带阻碍了氧气的还原反应。 （2）锐钛矿型TiO2晶格中含有较多的缺陷，从而产生较多的氧空穴来捕获电子，而金红石型TiO2是TiO2最稳定的晶型结构形式，具有较好的晶态化，缺陷少，光生电子和空穴容易复合，催化活性受到一定影响。 （3）金红石型TiO2光催化活性低还可能与高温处理过程粒子大量烧结引起的表面积急剧下降有关。 粒径的影响， 晶粒尺寸对TiO2光催化活性的影响较为复杂，微晶粒减小到纳米尺度时，能够产生量子尺寸效应，使得谱带蓝移，光生空穴和电子具有更强的氧化还原能力，所以光催化活性提高；比表面积的增加，提高吸附能力，增加活性位点；如果微晶尺寸过小，反而使得电子—空穴在表面复合