光催化学科的前沿与发展趋势.pptx
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1、光催化学科的前沿与发展趋势光催化学科的前沿与发展趋势付贤智付贤智(福州大学光催化研究所)(福州大学光催化研究所)光催化学科是催化化学、光电化学、半光催化学科是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。学科交叉的新兴研究领域。光催化分解水制氢光催化分解水制氢 H2O H2+O2 环境光催化环境光催化 C6H6+7 O2 6 CO2+3H2Ohvhv催化剂催化剂催化剂催化剂环境和能源是二十一世纪人类面临和亟环境和能源是二十一世纪人类面临和亟待解决的重大问题。光催化以其室温待解决的重大问题。光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳光作
2、为光深度反应和可直接利用太阳光作为光源来驱动反应等独特性能而成为一种源来驱动反应等独特性能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。生产技术。导带价带h=Eg还原氧化A_AD+D光光催催化化原原理理h光光解解水水原原理理导带价带光吸收激发电子生成空穴0.0eV1.23eVNHE(pH=0)H+/H2O2/H2Oh光催化技术在众多领域具有广阔的应用光催化技术在众多领域具有广阔的应用 前景和重大社会经济效益前景和重大社会经济效益光催化技术光催化技术空气、水净化空气、水净化国国 防防 军军 事事纺织工业纺织工业汽车工业汽车工业家用电器家用电器建筑材料建筑材料
3、 医疗卫生医疗卫生洁净能源洁净能源光催化受到科学界、政府部门及企业界的高光催化受到科学界、政府部门及企业界的高度重视,投入了大量的资金和研究力量开度重视,投入了大量的资金和研究力量开展光催化基础理论、应用技术开发及工程展光催化基础理论、应用技术开发及工程化研究,使得光催化成为近年来国内外最化研究,使得光催化成为近年来国内外最活跃的研究领域之一。活跃的研究领域之一。一、光催化领域的重大科技问题一、光催化领域的重大科技问题与学科发展趋势与学科发展趋势 1 1、重大科技问题、重大科技问题 目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存在一些关键科学技术难题,使其广泛的工业应
4、在一些关键科学技术难题,使其广泛的工业应用受到极大制约,而这些问题的解决则有赖于用受到极大制约,而这些问题的解决则有赖于深入系统的基础研究。深入系统的基础研究。最突出的问题在于:最突出的问题在于:(1)量子效率低()量子效率低(4%)难以处理量大且浓度高的废气和废水,难以实现光催化难以处理量大且浓度高的废气和废水,难以实现光催化分解水制氢的产业化。分解水制氢的产业化。(2)太阳能利用率低)太阳能利用率低 由于由于TiO2半导体的能带结构半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐太阳光中紫
5、外辐 射仅占射仅占5%)。(3)多相光催化反应机理尚不十分明确)多相光催化反应机理尚不十分明确 以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象,使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作实验现象,使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。盲目性大。(4)光催化应用中的技术难题)光催化应用中的技术难题 如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收 技术,在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂技术,在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂 活性稳定性问题。活性稳定性问题。上上述
6、述关关键键问问题题也也是是目目前前国国内内外外光光催催化化领领域域的的研研究究焦焦点点,围围绕绕这这些些问问题题开开展展进进一一步步的的研研究究不不仅仅可可望望在在光光催催化化基基础础理理论论方方面面获获得得较较大大的的突突破破,而而且且有有利利于于促促进进光光催催化化技技术术真真正正能能在在上上述述众众多多领领域域得得到到大大规规模模广广泛工业应用。泛工业应用。2 2、学科发展方向、学科发展方向 从理论和应用上解决可见光光催化和提高从理论和应用上解决可见光光催化和提高光催化过程效率这两个重大难题,应是光催化光催化过程效率这两个重大难题,应是光催化学科的发展方向。学科的发展方向。前沿课题和研究
7、重点:前沿课题和研究重点:(1)可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制)可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制 (能带调变,非(能带调变,非TiO2光催化剂);光催化剂);(2)多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光)多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光 催化理论体系的探讨(催化理论体系的探讨(原位表征和超快原位表征和超快 时间分辨技时间分辨技 术研究光生载流子的迁移传输规律术研究光生载流子的迁移传输规律););(3)光催化膜功能材料的研究(成膜机理、性能);)光催化膜功能材料的研究(成膜机理、性能);(4)光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用)光催化在环境污
8、染治理和光解水制氢等领域的应用 研究。研究。二、光催化领域的最新研究进展二、光催化领域的最新研究进展 近近年年来来,光光催催化化的的基基础础与与应应用用研研究究发发展展非非常常迅迅速速,特特别别是是在在可可见见光光诱诱导导的的新新型型光光催催化化剂剂的的研研究究、提提高高光光催催化化过过程程效效率率的的研研究究和和光光催催化化功功能能材材料料的的研究等方面都取得了重要进展。研究等方面都取得了重要进展。1 1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得、可见光诱导的光催化剂研究方面取得 重大突破重大突破 采用固相合成、过渡金属离子和非金属采用固相合成、过渡金属离子和非金属离子掺杂、金属离子掺杂、金属-有机
9、络合物、表面敏化、有机络合物、表面敏化、半导体复合等多种方法,制备出了一系列半导体复合等多种方法,制备出了一系列新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光催化材料,这些材料在可见光的照射下,催化材料,这些材料在可见光的照射下,能将能将H2O分解为分解为H2和和O2,或能有效降解空,或能有效降解空气、水中的有机和无机污染物。气、水中的有机和无机污染物。Zhigang Zou等等采采用用高高温温固固相相合合成成法法,制制备备出出可可见见光光活活性性的的In1-xNixTaO4催催化化剂剂并并应应用用于于光光解解水水制制氢氢1、随随后后又又研研制制出出InVO4 2、N
10、iM2O6(M=Nb,Ta)3等等系系列列可可见见光光活活性性的的光光解解水水催化剂。(催化剂。(Nature,2001)Michikazu Hara等等通通过过氮氮化化Ta2O5合合成成出出窄窄禁禁带带宽宽度度的的半半导导体体TaON和和Ta3N5(2.5eV和和2.1eV),使使其其光光吸吸收收带带边边分分别别拓拓展展到到500nm和和600nm左右,从而具备可见光光催化性能左右,从而具备可见光光催化性能4。Masato Takeuchi等等5采采用用离离子子注注入入法法制制备备Cr掺掺杂杂的的TiO2,光吸收带发生红移,可以在可见光下把光吸收带发生红移,可以在可见光下把NO分解为分解为N
11、2和和O2。R.Asahi等等6采采用用N置置换换式式掺掺杂杂得得到到的的TiO2-xNx在在可可见见光光条条件件下下对对亚亚甲甲基基蓝蓝和和气气态态乙乙醛醛的的光光催催化化活活性性以以及及负负载载型型TiO2-xNx薄膜的亲水性都高于薄膜的亲水性都高于TiO2。(。(Science,2001)赵赵进进才才等等人人7用用-环环糊糊精精和和有有生生物物活活性性的的小小分分子子血血晶晶素素合合成成了了一一种种金金属属-有有机机络络合合物物(CDH),该该络络合合物物在在可可见见光光下下可可以以活活化化H2O2,把把水水中中的的若若丹丹明明B(RhB)和和2,4-二二氯氯苯苯酚酚(DCP)等等有有机
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