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1、 1 光催化剂的发展前景与突破光催化剂的发展前景与突破 一、解决人类生存的重大问题一、解决人类生存的重大问题 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 多学科交叉的新兴研究领域。多学科交叉的新兴研究领域。光催化剂的研究应用一旦获得突破，将可以使光催化剂的研究应用一旦获得突破，将可以使环环 境和能源境和能源这两个这两个二十一世纪人类面临二十一世纪人类面临的的重大重大生存生存问题问题得以得以解决。解决。 利用太阳能利用太阳能光催化分解水制氢光催化分解水制氢 H2O H2 + O2 彻底解决能源问题彻底解决能源问
2、题 利用利用环境光催化环境光催化 C6H6 + 7 O2 6 CO2 + 3H2O 彻底解决污染问题彻底解决污染问题 光催化以其室温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光催化以其室温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 性性能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。 二二、光催化、光催化研究研究领域领域急需解决的急需解决的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在一些关键科学技术难题，使其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 广泛的工业应用受到极大制约
3、，而这些问题的解决有赖于深入系统的基础研究。广泛的工业应用受到极大制约，而这些问题的解决有赖于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，难以实现光催化分解水制氢的产业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。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)决定了其只决定了其只能吸收利用紫外光或能吸收利用紫外光或 太阳光中的紫外线部太阳光中的紫外线部分分(太阳光中紫外辐射仅占太阳光中紫外辐射仅占5 %)。 （3
4、）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实验现象，使得改进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盲目性大。和开发新型高效光催化剂的研究工作盲目性大。 （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技术，在气相反应体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活性稳定性问题。系中光催化剂的成膜技术及光催化剂活性稳定性问题。 上述关键问题也是目前国内外光催化领域
5、的研究焦点，围绕这些问题开展上述关键问题也是目前国内外光催化领域的研究焦点，围绕这些问题开展 导带 价带 h= Eg 还 原 氧 化 A _ A D+ D 光催化原理光催化原理 h 光催化剂应用领域光催化剂应用领域 光催化剂光催化剂 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 医疗卫生医疗卫生 洁净能源洁净能源 2 进一步的研究不仅可望在光催化基础理论方面获得较大的突破，而且有利于进一步的研究不仅可望在光催化基础理论方面获得较大的突破，而且有利于促促 进光催化技术真正进光催化技术真正能在上述众多领域得能在上述众多领域
6、得到大规模广泛工业应用。到大规模广泛工业应用。 三三、光催化领域的最新研究进展光催化领域的最新研究进展 近年来，光催化的基础与应用研究发展非常迅速，特别是在可见光诱导的近年来，光催化的基础与应用研究发展非常迅速，特别是在可见光诱导的 新型光催化剂的研究、提高光催化过程效率的研究和光催化功能材料的研究等新型光催化剂的研究、提高光催化过程效率的研究和光催化功能材料的研究等 方面都取得了重要进展。方面都取得了重要进展。 1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得重大突破、可见光诱导的光催化剂研究方面取得重大突破 采用固相合成、过渡金属离子和非金属离子掺杂、金属采用固相合成、过渡金属离子和非金属离子掺杂、金
7、属-有机络合物、表面有机络合物、表面 敏化、半导体复合等多种方法，制备出了一系列新型非二氧化钛系或二氧化钛敏化、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 基可见光光催化材料， 这些材料在可见光的照射下， 能将基可见光光催化材料， 这些材料在可见光的照射下， 能将 H2O 分解为分解为 H2 和和 O2， 或能有效降解或能有效降解空气、水中的有机和空气、水中的有机和无机污染物。无机污染物。 2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题，近年从提高催化剂自身的量子效率、为解决多相光催化过程效率偏低的问题，近年从提高催化剂自身的量子效率 和改进反应过来程条件两个方面开展了大量的研究工
8、作，取得了重要进展。和改进反应过来程条件两个方面开展了大量的研究工作，取得了重要进展。 采用离子掺杂、半导体复合、纳米晶粒制备、超强酸化等方法，提高光生采用离子掺杂、半导体复合、纳米晶粒制备、超强酸化等方法，提高光生 载流子的分离效率和抑制电子载流子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一定程度上改善了光催化剂空穴的重新复合，在一定程度上改善了光催化剂 的量子效率。的量子效率。 3、光催化材料超亲水性的发现，开辟了光催化研究和应用的新领域、光催化材料超亲水性的发现，开辟了光催化研究和应用的新领域 利用光催化膜的超亲水性和强氧化性等特性，研制开发出一系列光催化功能利用光催化膜的超亲水性和强氧化
9、性等特性，研制开发出一系列光催化功能 材料，材料，如光催化自清洁抗雾玻璃、光催化自清洁如光催化自清洁抗雾玻璃、光催化自清洁抗菌陶瓷和光催化环保涂料等。抗菌陶瓷和光催化环保涂料等。 这些功能材料已开始在建筑材料领域应用。与之相应的光催化膜功能材料的基这些功能材料已开始在建筑材料领域应用。与之相应的光催化膜功能材料的基 础研究也有大量的文献报道。础研究也有大量的文献报道。 4、超分散性及可见光活性实现突破超分散性及可见光活性实现突破 河南工业大学李道荣教授开发出了超分散性及可见光活性纳米二氧化钛光河南工业大学李道荣教授开发出了超分散性及可见光活性纳米二氧化钛光 催化剂，这种氮掺杂纳米二氧化钛光催化
10、剂具有较强的可见光活性，在室内光催化剂，这种氮掺杂纳米二氧化钛光催化剂具有较强的可见光活性，在室内光 作用下即可分解污染物。所得产品已通过河南华荣环保科技有限公司量产。产作用下即可分解污染物。所得产品已通过河南华荣环保科技有限公司量产。产 品形貌为棒状（柱状）多边形实体粒子，直径品形貌为棒状（柱状）多边形实体粒子，直径 5 纳米长度约纳米长度约 10 至至 15 纳米纳米 。产。产 品具有可见光活性，光催化活性高。分散性极好，品具有可见光活性，光催化活性高。分散性极好，透射电镜图片不产生团簇。透射电镜图片不产生团簇。 这种产品用于涂料中，解决了在涂料中的纳米产品易团聚、活性被掩盖的世界这种产品
11、用于涂料中，解决了在涂料中的纳米产品易团聚、活性被掩盖的世界 性难题。这种产品在成膜后，无论使用什么样的成膜剂，由于它是棒状（柱状）性难题。这种产品在成膜后，无论使用什么样的成膜剂，由于它是棒状（柱状） 3 多面体，在表面总有一定的裸露点而获得光的激发，所以活性被掩盖较少。可多面体，在表面总有一定的裸露点而获得光的激发，所以活性被掩盖较少。可 以说，该产品的出现可以实现室内环境污染治理难题的跨越。以说，该产品的出现可以实现室内环境污染治理难题的跨越。 四四、我国光催化学科的发展现状、我国光催化学科的发展现状 最近几年，由于国际上光催化分解水研究的复苏，特别是环境光催化的崛最近几年，由于国际上光
12、催化分解水研究的复苏，特别是环境光催化的崛 起，我国许多高等院校、中科院研究所、部委及军队研究院所都开展了光催化起，我国许多高等院校、中科院研究所、部委及军队研究院所都开展了光催化 研究工作。催化化学、光电化学、半导体物研究工作。催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学理、材料科学和环境科学等诸多学和环境科学等诸多学 科的科研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。我国的光催化研究整体上已经进科的科研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。我国的光催化研究整体上已经进 入快速发展期，已成为国际光催化领域的一支重要研究力量，加上我国对环境入快速发展期，已成为国际光催化领域的一支重要研究力量，加上我国对环境 保护、能源开发的巨大需求和市场背景，进一步加大对光催化基础和应用研究保护、能源开发的巨大需求和市场背景，进一步加大对光催化基础和应用研究 的支持力度，促进光催化学科的发展是十分必要的。的支持力度，促进光催化学科的发展是十分必要的。
