光催化试剂的学习教案.pptxVIP

光催化试剂的学习教案;背景介绍;目前，环境污染和能源危机已成为社会发展和人类生存亟待解决的两大问题。传统能源，如煤炭、石油等日益枯竭、供应不足以及能量利用中造成的环境污染在我国相当严重。寻找开发和利用清洁的可再生能源是解决上述问题的有效手段。;光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。 总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。;半导体材料在光的照射下,通过把光能转化为化学能,促进化合物的合成或使化合物降解的过程称之为光催化。;光催化利用半导体材料光照下表面能受激活化的特性,可以将低密度的太阳光能转化为高密度的化学能、电能,同时可以直接利用低密度的太阳光降解和矿化水与空气中的各种污染物,具有氧化能力强、室温下发生反应、有机污染物矿化完全、可重复使用、节能高效等优点,成为降解水环境中有机污染物的有效途径之一,在环境净化方面具有巨大的潜力。;利用光催化可以实现通过热反应得不到的化学反应,通过光强、光波长可控制反应速度和选择性。这一方法可在室温下充分利用太阳光,具有低成本、无污染的优点,从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有不可估量的意义。;世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO2), 氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2)，硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。;1972年，Fujishima等人利用Ti02作电极实现光分解水产生氢气和氧气，从此开发光催化材料越来越受到人们的重视。光催化材料具有利用太阳光光分解水制氢、光降解有机污染物等功能，具有成本低、不产生二次污染等优点。;1977年Bard以氧化钛为光催化剂将CN氧化为OCN;半导体光催化技术与其它污染处理技术相比, 优点：效率高、能耗低、操作简便、反应条件温和、无二次污染,能有效地将有机污染物转化为无机??分子,达到完全无机化的目的,并能降解许多常规方法难以去除的物质如氯仿、多氯联苯、有机 化物等。此外,可利用太阳光作为光源来活化光催化剂,驱动氧化-还原反应,达到降解净化的目的。;研宄显示,随着纳米材料优化设计以及纳米制备技术的快速展,Ti02基纳米光催化材料在光化学转换、污水处理、空气净化等方面表现出更加独特的优异性能,显示了巨大的生命力和广阔的应用前景。因此研制新型光催化材料,加强光催化降解有机污染物的基础研究和应用研宄是光催化技术发展趋势的必然,也是目前环境治理中一项非常有意义的工作,具有重要的研究价值。;半导体光催化的基本原理如图所示，涉及到光催化半导体的价带(vB)、导带(CB)和禁带。光催化过程大体分三步： (1)当光照射到半导体时，若入射光子能量高于半导体的禁带宽度，光子则被半导体吸收，能量升高的价带电子将会跃迁到导带，在价带中留下空穴，从而产生光生电子(e -)空穴(h+)对； (2)光生电子空穴对会在材料内建电场或者扩散的作用下分离，并迁移到半导体的表面； (3)迁移至表面的电子和空穴与半导体表面的吸附物发生氧化还原反应，从而实现有机污染物的光降解或者光分解水制氢气和氧气。;基于以上半导体的光催化理论，可知完整的光催化反应体系包含了光源、光催化剂和表面的反应三部分。显而易见，要提高光催化的效率，光催化材料的改性和开发是其中最关键的部分。;光催化降解环境污染物;TiO2光催化技术在有机废水处理中的应用;近十几年来,纳米Ti02光催化技术给环境保护领域带来了巨大的经济效益、环境效益和社会效益,主要包括净化空气、处理重金属离子废水、处理有机污染废水、抗菌除臭和能源再生等方面的应用。用纳米Ti02半导体的光催化性质来处理废水特别是处理含有少量难溶有机物的废水和改善环境是一种非 常有效的处理方法。;TiO2是一种Ｎ型半导体材料,其能带结构是不连续的,通常情况下是由一个充满电子的低能级价带(ＶＢ)和一个空的高能级导带(ＣＢ)构成,它们之间被禁带隔开。TiO2的禁带宽度为3.2ｅＶ,当入射光的能量大于或等于3.2ｅＶ的禁带宽度(波长小于或等于387.5ｎｍ)时,其价带上的电子被激发,越过禁带进入导带产生高能电子(ｅ)和空位(ｈ+),电子 空位对扩散到TiO2表面上,并能穿过界面与吸附在TiO2表面上的物质发生氧化还原反应。空位具有极强的氧化能力,能够与水反应生成羟基自由基。电子具有还原性,与Ｏ2反应生成氧自由基。;第19页/共26页;然而,Ti02是宽禁带(Eg=3.2eV)半导体化合物,需要紫外光作为激发光源,由于紫外光仅占太阳光中很