11章-氧化物半体材料.ppt

A.无机化合物 许多无机物在半导体表面可以实现光分解： 包括：氨，叠氮化物，铬类，氰化物，卤化物，铁类，锰类，汞，硝酸盐和亚硝酸盐，一氧化氮和二氧化氮，氧气，臭氧，钯类，铂类，铑类，银类，磺酸类等。 可光催化降解的聚合物 PS-TiO2，PVC-TiO2，PP-TiO2 几种简单的氧化物和硫化物半导体有足够的带隙能量去激发或催化大量的环境污染物。如：WO3(Eg=2.8 eV), SrTiO3(Eg =3.2 eV), α-Fe2O3(Eg=3.1eV)，ZnO(Eg=3.2 eV)和ZnS (Eg = 3.6 eV)。 对于有机物降解来说，好的半导体的主要的判断标准是H2O/?OH (Eo=-2.8V)电对电势在物质的带隙内并且他们能够稳定存在。 1、ZnO 作为重要的半导体光催化剂，禁带宽度为3.2 eV，在波长小于387 nm的紫外光照射下可以产生光生电子－空穴对，表现出较高的光催化活性。 与TiO2相比，它的成本更低，因而其应用研究也日益受到人们的重视。 粒径为5-12 nm的纳米ZnO，在紫外光照射下可以降解三氯乙烯，且其光活性远远大于亚微米的ZnO。 ZnO看起来是TiO2合适的替代物，然而ZnO分散后表面会产生Zn(OH)2，这样时间一长会导致催化剂失活。 2、其他金属氧化物 氧化铁(α-Fe2O3，α-FeOOH，β-FeOOH，γ-FeOOH，δ-FeOOH)的多晶型结构，尽管禁带宽度较高且价廉，但它们易受到光阴极腐蚀而影响其活性和寿命，因而不是最佳光催化材料。 钙钛矿复合氧化物具有稳定的晶体和电子结构，目前受到人们的普遍关注。如：SrTiO3。 采用化学溶液分解法制备了钛酸铋粉体：Bi12TiO20，Bi4Ti3O12，Bi2Ti2O7。它们在可见光区均呈现极强的吸收。 紫外光下，对甲基橙降解脱色均具有较强的活性，其中Bi12TiO20的光催化活性最强，达到了P25相同的活性。 4、敏化光催化剂： 光敏化是延伸激发波长的一个途径，将光活性化合物通过化学或物理吸附于光催化剂表面，扩大激发波长范围，增加光催化反应的效率，这一过程称为催化剂表面光敏化作用。 有机光敏剂：罗丹明B、卟啉、叶绿素、吡啶钌、氧杂蒽、赤鲜红B、曙红、花青素、酞菁等。 其共同特点：可见光下有较大的激发因子，只要活性物质激发态电势比半导体导带电势更负，就可将光生电子输送到半导体材料的导带中，从而扩大激发波长范围，更多的太阳光得到利用。 虽然有机光敏化剂扩展了光催化剂光吸收频率范围，但是它们也会被同时光降解，失去光敏化作用， 通过合理的分子设计提高有机光敏化剂抗氧化能力是当前研究工作的重点。 光催化降解的优点和不足 能耗低，反应条件温和，在常温、常压进行，易操作。在紫外光和太阳光照射下就可以发生反应。 反应速度快，有机污染物可在几分钟到数小时内被完全破坏，避免了聚环产物的生成。 降解没有选择性，几乎能降解任何有机物。 消除二次污染，矿化产物为无机离子，CO2，H2O。 TiO2光催化反应催化剂易分离和重复使用。 设备简单、光催化活性高，廉价，可连续工作，可氧化ppb级的污染物，适用于各种特殊设计的反应器体系。 光催化降解的优点和不足 光催化降解的优点和不足 1）寻求新型高效可见光响应光催化材料。 从能带匹配、电子输运和表面结构着手，研究高效光催化材料的构建原则等。 2）建立新型可见光光催化反应的理论基础。 研究光催化物理化学过程中的光吸收、载流子激发、输运及其表面化学反应的基本规律，阐明新型高效可见光光催化反应的物理化学机制。 3）发展新型可见光光催化材料的适用技术。 利用可见光催化降解和矿化饮用水中微量污染物、室内空气中挥发性有机物以及高效分解水制氢中的光催化材料的高效利用、失活机制及再生方法，解决光催化材料实用化的技术基础问题。 4）加强采用自然光源和连续处理的研究，探索最佳工艺条件。 以经济合理与切实可行为原则逐步向生产和生活实际靠拢，为光催化技术在化学合成、污水处理、环境保护、太阳能利用等方面的实际应用奠定可靠基础。 TiO2空气净化器 在室温下利用空气中的水蒸气和氧气去除空气中的污染物，如：氮氧化物，硫化物，甲醛等有害气体和细菌等。 实例：除臭，空调房间中空气净化 TiO2 抗菌材料 TiO2 纳米材料作为抗菌材料的研究一直很活跃，研究的范围包括TiO2光催化对细菌，病毒，真菌，癌细胞等的作用。 TiO2本身对微生物和细胞无毒性。机理有二： 其一：光生电子和空穴直接与细胞壁，细胞膜发生作用。 其二：生成的OH?，OOH?与细胞发生氧化作用。 实例：抗菌陶瓷，抗菌纤维，抗菌餐具等。 TiO2光照亲水性 通常情况下，水滴在TiO2膜表面，表面同水有较大