《工业催化基础》课件(光催化基础).ppt

第十章： 光催化基础 主要内容： 光催化的一些基本概念；光催化的基本原理；一些光催化的应用实例. 理解光催化的一些基本概念；掌握光催化的基本原理；了解一些光催化的应用实例. 化工资源有效利用国家重点实验室 * 第一节 光催化的一些基本概念 1、 光催化反应与光催化剂 光催化反应是光化学和催化反应之间有着密切联系的一类反应。只有在光和催化剂同时存在时进行的反应才被称为光催化反应，适用于光催化反应的催化剂称为光催化剂。 在光催化反应中，既需要有催化剂的存在，又需要光的作用，并且有时光催化作用还需要在一些热环境中进行。在催化反应中，反应的驱动力是热能，并且仅限于热力学上可能进行的一些反应。对于光催化反应，光能是克服反应势垒所需的能量，它直接用于实现化学反应的基元作用，为反应粒子（如分子，离子等）的激发过程或光催化剂（如半导体催化剂）的电子激发过程提供能量，因此光作用于化学反应时，一些热能无法实现的反应光催化可以进行，这是光催化反应的显著特点。 工业催化与反应工程研究室 * 化工资源有效利用国家重点实验室 * 第一节 光催化的一些基本概念 2、 光催化反应的类型 广义上讲光催化反应可分为两大类： （1）催化剂首先被光激发活化，然后发生一系列催化反应，可用下式表示： 工业催化与反应工程研究室 * 化工资源有效利用国家重点实验室 * 式中：Cat为催化剂，Cat*为光激发的活性态催化剂。A为反应物，A.Cat*为活性态催化剂与反应物形成的中间物，B为产物。如半导体TiO2为催化剂的光催化反应就属于这一类型，反应时半导体催化剂在光激发下产生的电子和空穴可以分别将反应物还原和氧化，完成催化反应。 第一节 光催化的一些基本概念 （2）反应物首先被光激发活化，然后在催化剂作用下发生催化反应，可用下式表示： 工业催化与反应工程研究室 * 化工资源有效利用国家重点实验室 * 式中，A* 为光激发活化的反应物分子，它与基态分子在结构、物理、化学性质方面有着很大差别。因此在催化剂作用下的反应完全不同于一般的催化反应。 第一节 光催化的一些基本概念 工业催化与反应工程研究室 * 化工资源有效利用国家重点实验室 * 3、光化当量定律和量子产率 在光化学反应中，初期过程是一个光子活化一个反应分子，这被称为光化当量定律。活化一个分子吸收的光称为1光量子。 根据光化学当量定律，量子产率应该为1，但实际情况并非如此，因为有的光化学反应中，被光活化的反应分子在生成反应产物之前可以发射较低频率的辐射，或者与一个普通分子碰撞并将一部分活化能转化为普通分子的动能，此活化分子就不能参与光化学反应，量子产率也就小于1了；而在有些光化学反应中，被光活化的分子可能会激活不是光活化的分子参与光化学反应，这时就会存在光化学反应的量子产率大于1的情况。 在光化学反应中，量子产率是指参加反应的分子数与被吸收的光量子数之比，即： 第二节 光催化的基本原理 1、催化剂光活化过程 （1）半导体光催化剂的结构 按照能带理论，固体的能带图如下： 第二节 光催化的基本原理 其电子能级可以分为两个部分，下面能量较低的能级组成价带，也称为满带（因能级完全被电子充满）；上面能量较高的能级组成导带，也称空带（因基态时往往没有电子），价带和导带之间有一能量宽度为Eg的称为禁带。 导体（金属）的价带和导带是紧接在一起的，Eg为零；而绝缘体价带和导带之间的禁带宽度很宽，Eg很大；半导