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1、论文题目：半导体光催化学生姓名：学生学号：20100920228专业班级：化学工程与工艺2010级2班学院名称： 化学化工学院指导老师：学院院长：蒋健晖2013年06月17日目录摘 要 3关键词 3一、绪论 3二、半导体光催化的原理 4三、半导体光催化剂 8四、光催化技术的应用 11光催化制氢 11废水处理 11空气净化 11饮用水处理 12自清洁涂层 12抗菌作用 13五、半导体光催化技术的存在的问题及研究进展 13六、结语 16参考文献 17半导体光催化摘要光催化材料以其光致电、空气净化、杀菌除臭、废水处理等独特 功能而备受研究者关注。综述了半导体光催化技术原理、研究发展现 状及其产业化应
2、用进程，分析了该领域尚存在的一些问题并对未来研 究方向进行了展望。关键词 ：光催化剂；半导体；原理；应用一、绪论光催化技术是从20世纪70年代逐步发展起来的一门新兴环保技 术它根据半导体氧化物材料在光照下表面能受激活化的特性，达到 氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味等效果 半 导体光催化技术作为一种环保的新技术，在降解污染物方面具有诸多 优点，如：降解没有选择性，不会产生二次污染；可以降低能量和原 材料的消耗；光催化剂具有廉价、无毒、稳定，以及可以重复利用等 特点因此，该技术在抗菌、防腐、净化空气、改善水质及优化环境 等方面心刮具有巨大的社会效益和经济效益，以及广阔的应用前景。
3、二、半导体光催化的原理光催化现象是20世纪70年代Fijishima和Honda等人在研究 水在二氧化钛电极上的光致分解时发现的。他们借鉴植物的光合作用 原理设计了一个太阳光伏打电池，即在水中插入一个n型半导体二氧 化钛电极和一个铂（铂黑）电极，当用波长低于415 nm的光照射氧 化钛电极时，发现在二氧化钛电极上有氧气释放，在铂电极上有氢气 释放. 产生这一现象的原因在于，光照使半导体二氧化钛阳极产生了 具有极高氧化还原能力的电子-空穴对.在上述的光致半导体分解水 的过程中，半导体仅作为一种媒介在反应前后是不变化的，但借助它 却把光能转化成了化学反应的推动力. 在这种意义上，半导体与催化 反应
4、中催化剂起相类似的作用. 随后的大量研究发现，不用外电路直 接将沉积有金属铂的二氧化钛悬浮于水中，在光照下它也能导致水的 分解. 光催化正是在这个概念和方法基础上发展起来的。半导体光催化的基本原理是用半导体作光催化材料（或与某种氧 化剂结合），在特定波长的光辐射下在半导体表面产生氧化性极强的 空穴或反应性极高的羟基自由基。这些氧化活性离子与有机污染物、 病毒、细菌发生强烈的破坏作用，导致有机污染物被降解，病毒与细 菌被致灭，从而达到降解环境污染物净化环境（水、空气）和抑菌杀菌 的作用。目前，半导体光催化技术已成为最活跃的研究方向之一，美 国和日本对此进行了大量的研究，并开发了一系列产品推向市场
5、。我 国在这方面的研究也有20多年的历史。本文就半导体光催化原理、 应用及其产业化进程等方面的问题进行了概述，指出了存在的问题及未来的发展方向。目前发现的有光催化活性的物质主要是一些半导体材料，如TiO2、 ZnO、a-Fe2O3、ZnS、CdS、W03、SnO2、SrTiO3等等.其中最有实用 意义的仅有TiO2，其廉价、易得、无毒无害、化学性质稳定、抗光腐 蚀性强.特别是其光致空穴的氧化性极高，还原电位可达+2. 53 V, 还可在水中形成还原电位都比臭氧正的羟基自由基（0H）.同时光 生电子也有很强的还原性（氧化还原电位为-0. 52 ） 可以把氧分 子还原成超氧负离子（02-）,水分子
6、岐化为过氧化氢（H202）。所 以Ti02具有很强的氧化还原催化能力，非常适合于环境催化应用。光催化材料利用光子的能量来催化化学反应。半导体能带是不连 续的，价带（VB）和导带（CB）之间存在一个禁带，当用能量等于或大于 禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子被激发，跃过禁带进入导 带，同时在价带上相应的产生电子一）一空穴（h+）对。若在复合之 前将其转移至表面，则电子被表面分子所吸收并将其还原；同样，空 穴可以催化表面的氧化反应。其微观过程如图1所示。VBSemiconductor SolutionReductionA/Y_e_D/d十 Oxidation半导体光催化机理光生电子一空穴的复合
7、是在小于10-9 S内完成的，为防止其再复 合，氧化和还原速率最好相等或相近。整个过程中关键的一项是各带 边的位置，首先，只有能量高于带隙(&)的光才可以被吸收；另外， 仅当导带(CB)底的能量大于还原样(A/A)的还原势时，还原反应才 可发生。同样，价带(vB )底的能量要低于氧化样(D/D+)的氧化势氧 化反应方可进行。光催化剂在水溶液中要能稳定存在也很重要。电子 一空穴对诱发光的化学反应如下：沪(1)丁 +H卜十 0H(2)用+旷H(3)盯+Q2Q + H 仆 Q + HOz +0H*2HQ - T +HQHOt +广十H-民Q+厂-OH+(10)HO + Ck f Q +OH 丄 OH
8、(11)沪+厂(12)式中：M代表半导体晶体。晶体表面的光生电子(e-)和空穴(h+)与H02 和02反应，形成O2-称活性很强的自由基氏02、0氐0H和H02 等。 这些自由基具有很强的氧化分解能力，可以破坏含有C-C、C-H、C-N、 C-0、N-H键的许多化合物，将其彻底降解为无毒、无害、无二次污染 的无机小分子化合物，能起到光催化分解的作用，具有杀菌、除臭、 光催化降解有机污染物、净化空气等功能。建筑物涂服中所用光催化 剂的工作示意图见图2。首先，在日光照射下搬催化剂将NO2和S02等 有害气体氧亿成为能溶解予水的无害离子no3-和S042-等，随后这些离 子经雨水冲刷排入下水道。Ti
9、02光激活生成的游离基的紫外光吸收光谱如图3。65020025C350nm图孑水介质中活性氧的瞬态光谱三、半导体光催化剂半导体光催化剂能加速以电子转移为特征的氧化、加氢和脱氢等反应。与金属催化剂一样亦是氧化还原型催化剂，其催化性能与电子 因素和晶格结构有关。具有以下优点：在光、热、杂质的作用下，性 能会发生明显的变化，这有利于催化剂性能的调变；半导体催化剂的 熔点高,故热稳定性好；较金属催化剂的抗毒能力强。良好的光催化材料应具备以下几个特点：最佳的能隙；很强 的可见光或紫外光吸收能力；在强电解液中具有很好的稳定性； 在半导体和电解液之闻有良好的导电率。光催化剂大多是宽带隙的N型半导体，研究过的
10、多为金属氧化物或硫化物如：Ti02、Zn0、Sn02、WO3、a-Fe2 03、SrTi03、Si02、NiO、CdS、ZnS、PbS、Cu20等。很 多窄带隙的光催化材料（CdS、CdSe、PbS、M0S2、Cu20）的可见光吸收 能力强，但易发生化学和光化学腐蚀在水中形成有害离子，故不适合作纯净水用光催化剂；a-Fe2 03吸收可见光，激发波长为563nm，但催化活性较低；Sn02、WO3的催化活性也较低；宽带隙的光催化剂（Ti02、Zn0、SrTi03、ZnS）具有良好的光催化性能，但因光吸收能力较差而 影响催化效率。Ti02不仅具有很高的光催化活性，而且具有耐酸碱腐 蚀、耐化学腐蚀、稳
11、定性好、成本低、无毒等优点，被证明是应用最 广泛的光催化剂。其瓶颈在予，只有在短波紫外光的照射下Ti02才能 表现出光催化特性，而紫外光仅占太阳光的3 %4%,其中能被Ti02 吸收用于光催化反应的也只有30%。因此，提高Ti02吸收用于光催化 反应的也只有30%。增强其可见光吸收能力，充分有效地利用太阳能 资源成为目前一个前沿的发展方向。近年来，随着纳米科技的发展而兴起的纳米光催化技术已成为半导体光催化方面的高科技竞争领域。纳米Ti02光催化应用技术工艺简 单，利用自然光即可催化分解细菌和污染物，具有高催化活性、无 二次污染、无刺激性等特点，且能长期有益于生态自然环境。通过纳 米光催化材料这
12、一“媒介”，太阳能不仅可以转化成化学能氢， 作为高效、经济、环保的清洁燃料，以代替石油支撑社会经济，还能 将太阳能转化为电能，代替水力和火力发电，同时也能通过光催化作 用，分解有毒有害物，净化环境，是最具开发前景的绿色环保催化剂 之一，这种技术已经成为各国高科技竞争中的一个热点。光催化剂通常有光催化粉体、光催化涂料、涂膜材料、光催纯瓷 砖、光催化过滤材料、道路用光催化砌块材料等。可有效降解无机气 体（硫化物和氮化物等）、有机废气，如：碳氢化合物、苯及苯系物， 醇类、醛类、酚类、酮类、酯类、胺类、腈类、氰类、氨基类等，是 一种新型有效的环境净化材料。20世纪90年代以来，光催化产品的应 用领域进
13、展很快，主要产品包括：空气净化（除臭）机，如家用、车用 或冷库用空调机；下水、废水处理设备；建筑物外墙用防污、防雾“自 洁”瓷砖、玻璃、涂料等。广泛应用予污水处理站、污水泵站、房地 产、食品生产、汽车制造、自行车、摩托车、家用电器、电线电缆、 漆包线、电器、仪表、石油化工、涂料、医药、印刷、纺织、人造合 成本材、皮革、铸造等行业。四、光催化技术的应用光催化制氢氢是一种清洁、高效率，并具有高燃烧值的能源。但目前的氢能 还主要是依靠煤和天然气的重整来获得，这必然会加剧非可再生能源 的消耗，而且还会带来环境污染问题。以水和生物质等可再生物资为 原料，利用太阳能光催化分解水制氢的方法可以从根本上解决能
14、源及 环境污染问题，光催化分解水制氢已成为新能源探索的研究热点之一 废水处理有机化合物废水处理的常规方法有吸附法、混凝沉降法、生化法 等，但这些常规的处理法很难去除难降解的有机物，即使降解了也容 易造成二次污染。而Ti02光催化氧化技术是一种深度处理技术，可以 对水中的染料、卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸、杂环化合物、烃类、 酚类、表面活性剂、农药等有机物进行有效的光催化反应，将其氧化 成CO2和H20等无机小分子，以消除对环境的污染。空气净化目前，我们面临越来越严重的空气污染，来自工业生产、汽车尾气、室内建筑材料缓慢释放的有机气体造成了室内外的空气质量显著 下降.研究表明，利用TiO2光催化所
15、产生的活性氧可有效地降解这些有机污染物，而且不产生二次污染。例如，在居室墙壁、办公室玻璃， 以及陶瓷等建材表面，涂敷TiO2光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催 化设备，不仅能减少空气中的微生物和病菌污染颗粒，而且还能有效降解空气中的各种有害有机物质和臭味物质，净化室内空气，改善空 气质量。1996年，李庆霖等人发明了大空间光催化空气净化机，该机 能够有效、快速地光解和消除有害气体，并通过静电吸附来去除粉尘 及油雾、烟雾等有害物质，同时还能杀灭空气中的细菌、病毒。 饮用水处理饮用水的水源污染，特别是微量有机物的污染，给自来水行业带 来了严重的问题。Ti02光催化作为一项新兴的水处理技术，在饮用水 处理上受到极大的重视。.它能够有效地避免Cl2, 03，ClO2等消毒剂 所产生的副产物（如三氯甲烷，NOM等），并具有较强的灭菌能力，同 时能够去除细菌死亡过程中释放出来的毒素，且在这一过程中不产生 对人体有害的中间产物。这使得TiO2在饮用水的处理问题上具有不可 估量的发展前景。自清洁涂层将TiO2在基片上制备成薄膜，由于TiO2表面有超亲水性，污物不 易在其表面附着，而且太阳光中的紫外线足以维持TiO2薄膜表面
