光催化剂二氧化钛..ppt

光催化剂To2
>Tio2的结构
>Tio2光催化反应机理
影响Tio2光催化剂的因素
TO2光催化的应用
>TiO2光催化剂的掺杂改性
小结与展望
TiO2的结构
>通常Ti02有三种晶型:锐钛矿(a. natale)、金红石
( ruffle)和板钛矿 Corookite)。通常认为锐钛矿是
活性最高的一种晶型,其次是金红石型,而板钛矿
和无定型Ti02没有明显的光催化活性
>研究表明,由锐钛矿
和金红石以适当比
例组成的混晶通常
比由单一晶体的活
性高
图1二氧化函体结构
喜钱钦型b金红石型
TO2光催化反应机理
c当能量大于T02禁带宽度的光照射半
导体时,光激发电子跃迁到导带,形TO2+N→To2(e,h)()
成导带电子(矿),同时在价带留下空c+片→ heat or hry
穴()。由于半导体能带的不连续性n+OH→HO
,电子和空穴的寿命较长,它们能够
在电场作用下或通过扩散的方式运动h+HOs→HO+H
(4)
与吸附在半导体催化剂粒子表面上e+O2→O
(5)
的物质发生氧化还原反应,或者被表
面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化H·能与电子给体作用,将之氧化,
空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的矿能够与电子受体作用将之还原
剂粒子内部或表面也可能直接复合
同时h也能够直接与有机物作用将
0成H0发生作用生成H·。HO·是一之氧化:
种活性很高的粒子,能够无选择地氧
化多种有机物并使之矿化,通常认为
是光催化反应体系中主要的氧化剂。
HO+D→D+H2O
光生电子也能够与02发生作用生成
e+A→A
HO2·和02·等活性氧类,这些活性氧
自由基也能参与氧化还原反应。该过+D→D
程可用如下反应式表
光催化原理图
电子
紫外线波段
纳米光催化剂
对
空穴
通过特定波长光线射,激活纳米光催化剂,生戚电子-空穴对,使光催化剂与周围的HO分子、Q分子发生作用,结合生成氢氧自由基OH,通过氢氯自由基0H层
层镣住空气中各种有害成分,分解有害成分分子构造,抑制细菌生长和病毒的活性能力,从而达到杀菌、空气净化、除臭、防器,消除空气污染的目的
具体来说:
在光照下,如果光子的能量大于半导体禁带宽度,其
价带上的电子(e-)就会被激发到导带上,同时在价
带上产生空穴(h+)。激发态的导带电子和价带空
又能重新合并,并产生热能或其他形式散发掉。当催
化剂存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时
电子和空穴的复合得到抑制,就会在催化剂表面发生
氧化一还原反应。价带空穴是良好的氧化剂,导带电
子是良好的还原剂,在半导体光催化反应中,一般与
表面吸附的H20,02反应生成氧化性很活波的羟基
种有机物氧化直接氧化成C02、H20等无机小分子,而
且因为他们的氧化能力强,使一般的氧化反应一般不
停留在中间步骤,不产生中间产物
光催化氧化反应体系的主要氧化剂究竟是H0·还是空穴,一直
存在争论,许多学者认为H0·起主要作用。ESR研究结果证实
了光催化反应中H0·及一些活性氧自由基的存在
Noda,1993),Mao(1991)等则证实了氯乙烷的降解速率限制步
骤是H0·对CH键的攻击过程。但空穴对有机物的直接氧化作
用在适当的情形下也非常重要,特别是一些气相反应,空穴的
直接氧化可能是其反应的主要途径。不同的情形下空穴与羟基
自由基能够同时作用,有时溶液的pH值也决定了羟基自由基还
是空穴起主要作用(Sun,1995)。
H HOO
H H9O,)OH
CB
UV
Dye
VB
HyO,RH HO, R
图11半导体TO2光催化氧化反应机理示意图
影响Tio2光催化剂的因素
>水蒸气对二氧化钦光催化剂的影响
通常情况下,Ti02镀膜表面与水有较大的接触角,但经
紫外光照射后,水的接触角减少到5度以下,甚至可以达
到0度(即水滴完全浸润在TiO2的表面),显示非常强的亲
水性。进一步研究证明,在光照条件下,TiO2表而的超
亲水性起因于其表面结构的变化:在紫外光的照射下,
TiO2价带电子被激发到导带,电子和空穴向Ti02表面迁移
在表而生成电子一空穴对,电子与Ti反应,空穴则与
表面桥氧离子反应,分别形成正三价的钦离子和氧空位
。此时,空气中的水解离吸附在氧空位中,成为化学吸
附水(表面轻基),化学吸附水可进一步吸附空气中的水
分,形成物理吸附层。研究表明,光照时间、光照强度
品面、环境气氛和热处理都会影响到TO2的表面结构
,从而影响到其光催化性能。
>Ti02纳米粒子的表面积大小对催化作用