光电催化-课件.pptx

光电催化

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●光电催化的原理

●光电催化的影响因素

●光电催化的应用

●存在的问题

●光电催化处理污染物的展望

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光电催化原理

光催化的原理

必要条件：

光——吸收光或紫外光

催化剂——TiO₂以其活性高、化学稳定性好、低

廉无毒、持续性长、反应条件温和、降解速度快、催化效率高及具有超亲水性等特点倍受人们青睐，成为当前最有应用

潜力的一种光催化剂，在半导体的光催化研究中

以其最为活跃。

紫外线照射

吸附(02)还原(·02-)

氧化(污染物

氧化为

(-OH)

吸附(H20)

吸附(污染物4

羟基自由基(·OH),超氧离子自由基(·02-)及·0H₂自由基具有很强的氧化能力，很容易将各种污染物物直接氧化为CO₂,H₂O等无机小分子。

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光电结合催化

光催化剂有一个致命的弱点，即光生空穴一电子对的复合率较高

提高光催化效率的关键在于减少光

生空穴与电子的复合几率

光电催化——即电场协助光催化技术(协同作

用

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反应类型

不同反应类型的降解率比较

图引自：彭康华，潘湛昌，等.两种载体上的光电催化降解气相环已烷的研究[J].材料导报.2007.21(10):142

口活性碳/石墨

泡沫镍

40

36

32

28

24

降解率/%

光电催化

电催化

光催化

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光电催化装置示意图

半导体氧化物薄膜作为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极构成光电化学电池

薄膜电极铂电极

OH-

e-

h+

VB+

·OH

CB

TiO2hv

02

e-

·02-

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大家学习辛苦了，还是要坚持

继续保持安静

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由此得出光电催化的必要条件：

●光——多用紫外线

·电——电极构成光化学电池

●催化剂——多用二氧化钛

·空气——提供氧气

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与光催化相比的优势

·Ti02光电组合效应把导带电子的还原过程同价带空

穴的氧化过程从空间位置上分开(与半导体微粒相比较)

·明显地减少了电子和空穴的复合，结果大大增加了

半导体表面·OH的生成效率

·防止了氧化中间产物在阴极上的再还原

·导带电子能被引到阴极还原水中的H+,因此不需要

向系统内鼓入作为电子俘获剂的02

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图3在不同条件下阳极对染料的降解脱色率

(a)光电催化；(b)光催化12

催化剂的粒径

溶液电导率的影响

溶液初始pH的影响

外加偏电压的影响

光源与光强的影响

温度的影响

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催化剂的粒径

粒子越小单位质量粒子数目越多二光吸附效率就越高，光吸收不易饱和体系的比表面大也有助于有机物的预吸附，反应速率和效率就大；

粒径越小光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短电子与空穴分离的效果越好催化活性就越高.

●

粒径也不是越小越好：

粒径降低到一定程度，比表面积急剧增加，导致表

面电子和空穴复合几率提高。

而且粒径的过分减小，量子尺寸效应显著,禁带变

宽，可利用的光的波长范围减小，导致可吸收的光子减少，迁移到表面的光生空穴一电子对减少，从而光催化效果降低。

因而光催化剂的粒径也有一个最佳值。

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溶液初始pH的影响

溶液的PH对光催化反应有较大影响，主要是因为溶液的pH不同，改变了半导体光透电极与电解质溶液界面的电荷性质，进而影响了半导体光透电极对有机物的吸附。

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外加偏电压的影响

外加电压达到一定值时，光生载流子已达到充分分

离，形成饱和光电流。

因此，在光电流接近饱和状态时，继续增大电压对

光催化反应速率提高幅度不大；

相反，随着电压的升高，光电流效率反而下降。

电压(V)

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光源与光强的影响

●半导体光催化的机理是半导体在光照射下电子激发跃迁。因此，用于激发的电子能量必须大于半导体的禁带宽度才能完成电子激发，因此，理论上太阳光也可以作为光源。

·目前的研究大部分只局限于紫外光部分，一般都采用紫外光强度较大的中、高压汞灯或氨灯、黑光灯、紫外线杀菌灯等。

●由于到达地面的太阳光有1%的光波长在300—380nm范围内，可被吸收而激活催化，因此，理论上太阳光也可以作为光源。目前，国内外的学者对直接利用太阳能光催化的研究正在深入广泛地进行。

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Ti02光电催化在环境保护方面的应用

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对水中污染物催化降解效果：

凡是能利用光催化降解有机物，采用光电催化后其

反应效率均有较大提高。大量研究发现，采用光电催化技术能将水中有毒有机污染物，如：染料、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类等进行有效脱