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光催化与光催化体系全册配套课件
光催化及光催化反应体系
+4.1背景
→4.2光电化学与光催化
+4.3光催化机理
4.4光催化活性的影响因素
4.5光催化反应体系及光催化剂
4.6均相光催化(光化学)反应体系
主要内容
1.ENERGY
2.WATER
3.FOOD
4.ENVIRONMENT
5.POVERTY
6.TERRORISMWAR
7.DISEASE
8.EDUCATION
9.DEMOCRACY
10.POPULATION
4.1研究背景
Thetoptenproblemsmankindwillfaceduringthenext50
yearsaccordingtoNobellaureateRichardSmalley.
HumanitysTopTenProblemsfornext50years
我国既是能源短缺国又是能源消耗大国。1994年之前，我国石油基本上不依靠进口，但目前我国对进口石油的依存度已超过40%。据估计，2020年我国对进口石油的依存度将达到60%。
石油等化石能源的消耗势必造成温室气体及其它污染物的大量排放，引起地球变暖，加剧环境污染，从而给自然界带来极大的破坏，制约着社会的可持续发展。能源是未来15年我国科技发展的重要领域，清洁能源低成本规模化开发利用则是重点领域和优先主题。
氢是理想的清洁能源，其热效率是汽油的3倍，而且使用不会产生任何污染。
当前的能源结构
世界
24%
天然气
石
油
其他
煤
40%
10%
26%
利用天然气、石油、煤等化石能源通过热化学法制氢。
(技术成熟，不经济，不环保)
CH₄+H₂O→CO+3H₂(1)
CO+H₂O→CO₂+H₂(2)
电解水制氢。(能耗大)
通过热化学及生物化学分解生物质制氢。(技术路径复杂)光电化学分解水制氢。
光催化分解水制氢。(其中半导体光催化法最理想)
制取氢气的方法
光催化技术可利用太阳能在室温下发生反应，比较经济；
光催化剂，自身无毒、无害、无腐蚀性，可反复使用；
可将有机污染物完全矿化成无机离子，无二次污染。
光催化有着传统的高温、常规催化技术及吸附技术无法比拟的诱人魅力，是一种具有广阔应用前景的绿色环境治理技术及太阳能转化技术。
光催化的优点
Honda-Fujishima效应
1972年，Fujishima和Honda在研究半导体氧化物对光的反应时，第一次发现了二氧化钛的光催化效应，即在一定的偏压下，二氧化钛单晶在光的照射下能将水分解成氧气和氢气，这意味着太阳能可光解水，制取氢燃料，新发现被称为Honda-Fujishima效应，他们的论文发表在当年的《自然》杂志上。
4.2光电化学与光催化
FujishimaA,HondaK.ElectrochemicalPhotolysisofWaterataSemiconductorElectrode[J].Nature,1972,238(5358):37-38
TiO₂n-typesemiconductorPtcounterelectrode
photoelectrode
光电化学分解水制氢原理
在光照下，电子从价带跃迁到导带上，在空间电荷区电场的作用下向半导体内部迁移，而空穴向界面迁移，实现了电子空穴分离。空穴迁移到半导体表面氧化水生成氧气。电子在背接触被收集传递到对电极还原氢离子生成氢气。
FlectronEnergy
clectrolyte
光电化学分解水制氢原理
光电化学分解水是将催化剂制成电极，与对电极通过导线相连，通常还会加一个偏压。若半导体材料为n型，则在催化剂电极处产生氧气，对电极处产生氢气；若半导体材料为p型，则相反。
4.2光电化学与光催化
Moleculardesign;e.g.,Eisenbergsgroup(2013)
S₃-CdSe/[Co(bdt)₂]-H₂O-ascorbicacid
QY=24%at520nm
Non-noblemetalsloading
Compositionaldesign;e.g.,Domensgroup(2005)
GaN-ZnO/Rh,Cr₂-yO₃
H₂O
QY=5.9%at
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