TiO2光催化材料在环境污染治理与新能源领域中的应用.pptx

TiO2光催化材料在环境污染治理与新能源领域中的应用; 一、能源和环境问题;一、能源和环境问题;能源问题;;1、化石能源的不可再生性;2、资源分布的不均匀性 ;亿万年形成的化石燃料不过支持了约300年的现代工业文明！如果几十年里不能发展出替代能源，石油危机也就不可避免了。 ;4、能源分类;按可否再利用：;5、能源材料： 与能源开发、运输、转换、储存和利用等过程相关的材料. 包括：储能材料、节能材料、能量转换材料和核能材料.; 全球每年排放的CO2 高达 240亿吨之巨，几乎未经任何处理!;???前全球臭氧层正以每年2%至3%的速度削减，如果任其发展，在21世纪末平流层臭氧含量将降至目前的一半以上，届时人类将会面临一场空前的浩劫!;2、大气污染;113重点城市空气质量级别 ;3、荒漠化;染料废水：是目前难降解的工业废水之一，其毒性大，色泽深，严重危害了生态环境。;环境问题;1、环境污染的全球化关注; 人口和生活质量的提高，全球能源消耗每年仍以2％速度增加，唯一出路是新增部分由可再生能源补充。;可再生能源的特点;光伏效应;太阳能电池;二、TiO2光催化材料;光催化剂概述;(1)、TiO2基材料改性： A、金属离子掺杂： 在TiO2晶格中引入新电荷、形成缺陷或改变晶格类型，影响光生载流子的运动状况、调整其分布状态或改变能带结构，导致活性发生改变。 过渡离子掺杂：过渡元素金属存在多个化合价，少量掺杂即可在其表面产生缺陷或改变其结晶度，成为光生载流子的浅势捕获阱，使TiO2呈现出p-n型光响应共存现象，延长电子与空穴复合时间降低复合概率。 稀土、碱土元素离子掺杂:;B、非金属离子掺杂： 非金属掺杂TiO2主要有：C，N，F、Cl，B，S等 这些元素最外层电子上都有p轨道电子，易和O轨道电子混合，达到改变催化剂禁带宽度，使催化剂晶格缺陷，减小空穴－电子复合机会，提高光催化活性。 结果表明：MO2-xXx对可见光的吸收虽有所提高，但掺杂元素易分解，实际应用存在困难。 半导体耦合体系是将两种不同能隙的半导体结合在一起，解决催化剂的可见光吸收系数小和电子-空穴复合问题，但符合能级要求的窄能隙体系很少且易光腐蚀，因此也限制了耦合体系的应用。;(2) 、层状钛酸盐：;但层状复合氧化物也存在稳定性较差的缺点，需进一步完善使其结构优势得到更好的发挥。 已报道的光催化剂中，普遍存在可见光利用率低等缺点。 就光解水来说，关键在于提高光催化反应的活性及选择性，并将其激发波长扩展到可见光区，提高对太阳光的利用率。;(3)、复合半导体;;传统可见光催化剂CdS和CdSe易被光腐蚀，不稳定也不环保， TiO2的可见光化研究较多，主要可见光化手段为表面贵金属沉积、掺杂(金属掺杂、非金属掺杂)、半导体复合、染料敏化等。; (4) 、染料敏化半导体;纳米TiO2光催化剂的表征;三、TiO2光催化降解污染物;一般背景;常规污染物方法包括：高温焚烧，活性污泥处理，消化，厌氧消化和一些常规物理化学处理。;1972年，Fujishima 在 n-型半导体TiO2电极上发现了水的光催化分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。 1977年，发现光照条件下，TiO2对丙烯环氧化具有光催化活性，拓宽了光催化应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新思路。 此后，光催化技术在环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研究发展迅速，半导体光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。;利用纳米二氧化钛的光催化原理处理有机物，不仅可以直接利用太阳能，而且对有机物的处理比较彻底，不带来新的污染源 ;光催化的基本原理;氧化剂;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。;半导体光催化降解部分有机污染物;TiO2催化性能的测试（降解苯酚）;TiO2催化性能的测试（降解甲醛）（分子筛负载）; 可光催化降解的聚合物 PS-TiO2，PVC-TiO2，PP-TiO2; 可光催化降解的聚合物 PS-TiO2，PVC-TiO2，PP-TiO2;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。;大都以汞灯为光源进行光催化降解，很少利用太阳光作为光源。 未能采用现有工业原料来制备高效的光催化剂。 悬