纳米二氧化钛光催化剂及其应用.ppt

张辰
纳米 TiO2光催化材料及其应用
光催化技术的发展概况
-型半导体TiO2电极上发现了水
的光催化分解作用,揭开了光催化技术研究的序幕。
,--,光催化技术在环保方面的应用
研究开始启动。
,半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的
应用研究发展迅速,纳米光催化成为国际上最活跃的研究领
域之一。
h
Eg
+
-
Conduction band
Aads
Areduced
A
band gap
Valence band
Dads
D
Doxidized
semiconductor particle
Overall reaction: D+A
h
PC
Doxidized +Areduced
光催化机理
GaAs
(n,p)
0
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
CdS
(n)
ZnO
(n)
WO3
(n)
SnO2
(n)
TiO2
(n)
△E=





--2H+/H2
0
-
+
+
+
+
--Cl2/2Cl-()
--O3/O2+H2O()
--F2/2F-()
(NHE)
有代表性的光催化半导体材料及其能带
光催化剂的纳米尺寸效应
量子效应
当半导体粒径小于某一纳米尺寸时,导带和价带间的能隙变宽,光生电子和空穴的能量增加,氧化还原能力增强
表面积效应
随着粒子尺寸减小到纳米级,光催化剂的比表面积大大增加,对底物的吸附能力增强
载流子扩散效应
粒径越小,光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短,电子和空穴的复合几率减小,光催化效率提高
TiO2光催化材料的特性
光催化活性高(吸收紫外光性能强;禁带和导带之间的能隙大,光生电子和空穴的还原性和氧化性强)
化学性质稳定(耐酸碱和光化学腐蚀),对生物无毒
在可见光区无吸收,可制成白色块料或透明薄膜
原料来源丰富
纳米TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂
二氧化钛晶体的基本物性
形态
相对密度
晶格类型
晶格常数
Ti-O距离
/nm
禁带宽度/eV
a
c
锐钛矿

正方晶系




金红石

正方晶系



3
板钛矿

斜方晶系
Ti
O
TiO6
锐钛矿相和金红石相二氧化钛的能带结构
CB/e-
VB/h+
CB/e-
VB/h+



两者的价带位置相同,光生空穴具有相同的氧化能力;但锐钛矿相导带的电位更负,光生电子还原能力更强
混晶效应:锐钛矿相和金红石相混晶具有更高光催化活性,这是因为在混晶氧化钛中,锐钛矿表面形成金红石薄层,这种包覆型复合结构能有效地提高电子-空穴对的分离效率
锐钛矿相
金红石相
制备方法
优点
不足
溶胶-凝胶法
(sol-gel)
粒径小,分布窄,晶型为锐钛矿型,纯度高,热稳定性好
前驱体为钛醇盐,成本高
水热合成法
晶粒完整,粒径小,分布均匀,原料要求不高,成本相对较低
反应条件为高温、高压,材质要求高
化学气相沉积法(CVD)
粒径小,分散性好,分布窄,化学活性高,可连续生产
技术和材质要求高,工艺复杂,投资大
微乳液法
可有效控制TiO2纳米粉末的尺寸
易团聚
粉体纳米TiO2光催化剂的制备
环保方面的应用
卫生保健方面的应用
防结雾和自清洁涂层
光催化化学合成
纳米TiO2光催化剂的应用