光催化剂的制备_范文大全网

范文一：光催化剂的制备

光催化剂的制备

目前，实验室制备和合成纳米 TiO2光催化剂的方法很多，大致可以分为气相法，液相法和固相法。

1.2.2.1 气相法

气相法是利用气体或通过加热使钛盐变为蒸气，然后发生物理或化学变化，最后冷却-凝聚-长大形成纳米 TiO2粒子的方法。采用气相法制备的纳米 TiO2粒子纯度高，粒径分布窄，尺寸均匀，化学活性好，但是制备工艺复杂，成本高，产率低。常见的气相法包括氢氧火焰水解法、气相氧化法，气相水解法、气相分解法等。

1.2.2.2 液相法

液相法是生产各种氧化物颗粒的主要方法之一。它的基本原理是：将可溶性金属钛盐，按所制备材料的组成配制溶液，再用沉淀剂使金属离子均匀沉淀出来。与气相法相比，液相法制备纳米 TiO2薄膜具有工艺简单、合成温度低、能耗少以及设备投资小的优点，是制备纳米 TiO2粉体和薄膜较理想的方法，是目前实验室和工业上广泛采用的制备薄膜和超微粉的方法。主要包括溶胶-凝胶法，水热合成法、液相沉积法，水解法，微乳液法等。溶胶凝胶法一般是以有机或者无机钛盐为原料，在有机介质中（酸或有机聚合添加剂）进行水解、缩聚反应，最后将得到的溶胶干燥、煅烧得到 TiO2纳米颗粒。整个反应过程如下： Ti(OR)4 + nH2 O → Ti(OR) (OH) + nROH水解反应4-n n 4-n n-1 2 2

2Ti(OR) (OH) → [Ti(OR) (OH) ] O + H O缩聚反应

Ti(OR) + 2H2O → TiO +4HOR总反应

与传统的纳米材料制备方法相比，溶胶-凝胶法制备的TiO2纳米颗粒具有纯度高，粒径分布窄，单分散性好，反应容易控制等优点，但是成本高，工艺时间长。

水热合成法是在密闭高压反应釜中加入前驱体溶液，高温高压条件下发生反应制备纳米级 TiO2粉末的方法。该方法的优点在于制备的纳米 TiO2粉体晶粒完整，原始粒径小，分布较均匀，但反应条件为高温、高压，因而对设备材质、安全要求较严格。液相沉积法是利用水溶液中氟的金属配位离子和金属氧化物之间的化学平

衡反应，将金属氧化物沉积到反应液中的衬底上，最后煅烧得到纳米 TiO2材料[8]。液相沉积法的优点是：工艺简单，不需要使用特殊的设备，成本较低；室温下就能制备大比表面积的 TiO2膜；对衬底无选择，可以在各种形状各种材料的衬底上沉积；膜厚可控制。水解法是以无机钛盐为原料，在严格的条件下控制钛盐的水解速度，制得纳米 TiO2粉末。水解法制备纳米 TiO2具有以下特点：方法操作简单，成本低；通过控制不同条件可以直接得到其它方法需经高温下煅烧才能得到的金红石型二氧化钛。如果能克服洗涤干燥过程中粉末的流失和团聚，解决纳米二氧化钛的收率和粒径不理想的问题，那么水解法就是制备 TiO2粉末最经济的方法。

微乳液法是指以不溶于水的有机溶剂为分散介质，以水溶液为分散相的分散体系，由于表面活性剂（有时也添加助表面活性剂，如低级醇）的存在，该体系是一种分散相分布均匀、透明、各向同性的热力学稳定体系。微乳液的液滴或称 “水池”是一种特殊的纳米空间，以此为反应器可以制备粒径得以控制的纳米微粒。微乳液法具有操作简单、粒径大小可控、粒子分散性好、分布窄、易于实现连续化生产操作，容易团聚等特点。

范文二：光催化剂的应用及前景

光催化剂的应用及前景

龚海锋

(中南民族大学湖北武汉 430074)

摘要:光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。它作为一种绿色催化剂,近年来取得了巨大进展。推动光催化反应研究的巨大动力来源于清洁生产﹑能源危机﹑环境保护的强烈要求,以及光催化剂本身潜在的探索价值和应用潜力。

关键词:光催化绿色化学有机合成医疗卫生纳米TiO2中图分类号:R12文献标识码:A文章编号:1674-2060(2015)04-0157-01

1 引言

目前,光催化剂已应用于有机合成、催化化学、环境治理、电化学、生物医学等诸多领域,在催化化学中的应用,近年来引起了广泛关注,本文就光催化剂的诸多应用作一篇简要介绍。

2 光催化剂原理

光催化剂大多是n型半导体材料(当前以为TiO2使用最广泛)都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带和导带之间存在一个禁带。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。

3 光催化剂的应用

3.1 在环境治理方面的应用

(1) 水中无机金属离子的还原:水溶液中金属离子很难除去,往往伴有二次污染,利用光催化剂还原不仅节约能源,而且还避免了二次污染。Sclafani A等[1]利用TiO2的光催化反应将+4价的金属Pt逐步还原成具有催化作用的单质金属微粒。其他金属如Pd、Ag、Au等都可以得到单质金属微粒。可以将有毒物质汞、镉、铅及其氧化物等降解为无毒物质(2)水中无机非金属离子的降解:Frank[2]等研究了利用TiO2将有毒物质CN-降解为无毒物质CO2,N2,NO-3。(3)城市汽车尾气中的有害成分SO2、H2S、NO、NO2等光催化降解。(4)除室内有毒气体:新装修的房子往往苯、二甲苯、甲醛等超标,可以用光催化除去[3]。

3.2 在有机合成方面[4]

Tada等人[5]利用TiO2微粒使纯1,3,5,7-四甲基环四氧硅烷开环聚合,在催化剂表面生成聚甲基氧硅烷,这为光催化剂在有机合成方面开了先河。近些年来,光催化有机合成迅猛发展,尤其是光催化选择性氧化还原体系在有机合成,涉及到醇氧化、苯氧化、烯烃环氧化和含硝基的芳香族及CO2的还原

3.3 在能源方面的应用

H2被誉为是最清洁的能源,而且能量高,是非常有前景的一种燃料。目前,已经可以利用光解水制得,自1972年日本学者Fujishima

[6]

首次报道利用TiO2光催化水制的氢气以来在世界范围内引起轰

动。如能提高光催化的转化率,可以解决人类社会的能源危机。另外,TiO[7]2的光催化特性在太阳能电池方面也有广泛的应用前景。

3.4 在医疗卫生方面的应用[8-9]

纳米TiO2催化剂具有很好的抑制或杀灭细菌﹑真菌﹑病毒和癌细胞等作用,kikuchi等人研究了TiO2对大肠杆菌的作用,证实了有杀菌作用。另外,研究发现TiO2在紫外光照射下可以杀死HeLe肿瘤细胞。他们展开一系列研究,发现使用极化TiO2微电极,可以选择性杀死肿瘤细胞。

4 光催化剂的应用前景

由于光催化反应满足低能耗,对环境友好得到了众多学者的青睐,近些年来,科学工作者对光催化反应深入研究,已取得可喜成绩,因而,光催化反应已经成为催化反应的一个重要分支。但在以下几个方面仍需进一步探索:(1)提高光催化转化率,增加其实用性;(2)加大对光解水的研究,找出高效催化剂,廉价生产氢气,解决能源问题;(3)光催化与医疗卫生的结合,实行不同领域间的合作,从根源上治愈疾病;(4)加强对催化剂的研究与开发,扩大其范围,更全面的了解光催化的反应机理。(5)寻找新的催化剂合成方法,开发新的催化剂。参考文献

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[2]Frank S N,Bard AJ,J Am Chem Soc.1977,99(14):4467.[3]殷永泉,苏元成,由丽娜,刘翔,崔兆杰.复合催化剂对气相苯和甲苯的光催化降解研究[J].环境科学,2007,28(6):1188-1192.[4] 张楠,张燕辉,潘晓阳,付贤智,徐艺军*.光催化选择性氧化还原体系在有机合成中的研究进展[J].中国科学:化学,2011,41(7):1097-1111.

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[7]顾修全,王波,陈凡,张家正,王明月.氧化亚铜在太阳能电池,光催化领域的研究进展[J].现代化工,2012,32(2):19-23.

[8]Fujishima A,Tryk D A,Honda K.Electrochimica Acta,2000,45:2363.

[9]Ollis D F.CRAcad. Sci. Paris, Serie IIc,Chimie:Chemistry,2000,3:405.

BIOTECHWORLD 生物技术世界157

范文三：光催化剂的制备及其应用

工业催化 ?DU鲫曙江AL CATALlrSIS2010年第18卷增刊

光催化剂的制备及其应用

陈红霞 (中北大学理学院化学系，山西太

原030051)

摘要:介绍了光催化剂的制备方法，综述了光催化荆在环境净化领域中的实际应用。

关键词:光催化荆;制备方法;光催化降解

自从1972年Fujishima A等发现TiO:单晶钛矿型氧化物REFeO，，其中，800 oC焙烧所得粒

是催化领域重要的研究的平均粒径为45 nm【7-sl。子电极可以实现光催化分解水以来，光催化反应一直

课题，研究者不断探索催化剂的制备方法及其用途。光催化剂能1(2沉淀法

够利用太阳光沉淀法是在原料溶液中添加适当的沉淀剂，使等能源，促进化学反应，消除污染物，应用于净水、抑原料溶液中的阳离子形成各种形式的沉淀物，然后

菌、脱臭、除雾和去污等环保领域口】。经过滤、洗涤和干燥，有时还需经加热分解等工艺而

得到纳米微粒[9】。沉淀法有直接沉淀法[1们、共沉淀 1光催化剂的制备法??、均匀沉淀法和水解法等。宋崇林等【12 3用此

1(1溶胶一凝胶法法合成了LaCoO，，并分别用普通干燥、真空干燥和

溶胶一凝胶法是先将金属的无机盐、有机盐或超临界流体干燥进行处理，证实用超临界流体干燥

焙烧得到纳米粒子。具有设法制得的产物粒径较小。配合物水解形成溶胶，再聚合成凝胶，将凝胶干燥和

’ 应易控制、成备简单、合成温度低、反 1(3微乳液法

本低、产物纯度高、粒径小和分散性好 Y Wang D等u副以TiCl4为钛源、"IX一100

等优点，是制备纳米材料的主要方法。常用胶凝剂面活性剂、戊醇与环己烷为溶剂，采用逆微乳液为表法制

有柠檬酸、乙二醇、乙醇、聚乙二醇、聚乙烯醇、丙烯得锐钛矿型的TiO:空心微球，且球壳厚度与 TICl,

酸、淀粉衍生物和硬脂酸等。其中(以柠檬酸为配体 M增大到1(0 M浓度有关，当TICl4浓度由 0(5

的溶胶一凝胶法(即柠檬酸络合法)是最早用于制备纳米粒子时，壳厚度由0(25斗m增大到O(60?皿。催化剂的方法。由于在成胶过程中金属离子与柠檬酸络合，提高了分散程1(4水热法

度，有效降低了反水热法是指在一定的温度和压力下，在水、水溶应温度‘引。液或蒸汽等流体中所进行有关化学反应的总称。已

通过研究柠檬酸络合法制得的k一。Ca: CoO，成功利用水热法制备出TiO:纳米粉体、微球及空心

发现，c82+取代部分酣+后产生了氧空位。而且 H球。Yang G等【1(1以砜溶液、硫脉、尿素和 HF

Caz+的掺杂并不影响用H:还原后的LaCoO，钙钛作添加剂，在(140-220)?水热反应(1(5—100)h，

矿型结构的重建HJ。若采用类似方法制备的 C 得空心的锐钛矿Ti02微球。Guo W等?副以制和尿素在硫酸铵的醇一水混合溶剂中经水TICl4 LaMnl一。Mg。03用于甲烷催化氧化反应，当x<>

热沉淀法

时，Mg:+的掺杂才显示出较好的催化活性c5 】。通合成TiO:中空微球，其中，作为共溶剂的乙醇和作过溶胶一凝胶法制得的IJB。(，Sro(，MnO，纳米粒子与为分散剂的硫酸铵起了很大作用，并对由此法

的微球进行了紫外光催化降解苯酚实验。制备块状的砜(，Sro(，MnO，相比，其磁化强度小许多【 6J。

结果表明，核壳形TiO:微球的光催化活性优于以RE—Fe(RE=Y，cd)醇盐为前驱体，利用溶胶一

P25，循环凝胶法合成传统湿式化学法难以合成的单相稀土钙使用10次的催化活性只降低了10,

X J [161。Feng

作者简介:陈红霞，女，硕士。E?mall: ehenhongx,a72@163(咖

工业催化 2010第18卷增刊

等u71用TiCI，与饱和NaCl溶液在160?水热反应具有抗菌性。可以在TiO:浆料中加入银或铜

2 化合物?以】。近年来，纳米TiO:的抗菌性能不h，在玻璃衬底上制得刺球状TiO:膜，该膜具有较

断被开发和利用汹功】，随着抗菌荧光灯、抗菌纤好可控亲水性能。还以尿素作添加剂，在玻璃基板

维、抗菌建

材、抗菌涂料和抗菌陶瓷卫生设施的相继出现，纳米上制备了TiO:微米球，SEM、TEM和XRD表征结果

S TiO:的抗菌性能将会得到更加广泛的应用。 Q Sun表明，生成的TiO:晶体为金红石型。

等汹J采用液相沉积法在陶瓷基体上制备了1(5化学气相沉积法

Ag— TiO:薄膜，该薄膜对细菌有较高的抗菌活性。林少化学气相沉积法是将含有构成薄膜成分的一种

华等陋1以实用型太阳能固定膜光催化中试装置或几种化合物和单质气体供给基片，在基片表面产

对水中大肠杆菌的灭活特性进行了研究。结果生化学反应而形成不挥发的固态膜层材料的方法。

表明，太阳能固定膜光催化灭菌包含光催其基本要求是基片表面必须有异相的化学反应，具

接灭菌的协同作用，光化灭菌和阳光直有薄膜沉积速率高、沉积稳定较低、可在任何形状和

接杀菌效果。催化杀菌效果优于阳光的直大小的基片上镀膜、膜组成和晶型易于通过沉积条环境扫描电镜分析表明，光催化处理对菌件精确控制等特点。近年来，开发了新的化学气相

体产生致命性破坏。光催化灭菌还具有良好的

持久性，灭菌处理 h4后，没有出现明显复活再生沉积法，如等离子体化学气相沉积法[t$-191、低压化

现象。Evans P等L301采用光助气相沉积法在不锈学气相沉积法和金属有机化学气相沉积法等。钢表面制得高催化活性和抗菌性能的TiO:膜，可用于 1(6氧化物烧结法医院和食品工业。氧化物烧结法属于固相法，是将相应的氧化物 2(2空气净化经粉碎和混合，在一定温度下烧结而成。工艺简单，空气中有害污染物包括室内污染，如家具、家成本较低，且其产物具有较好的光催化活性和抗中电、办公用品以及建筑材料等用品所释放出的挥发毒能力，缺点是混合的均匀性不如液相法。夏熙性有害化学物质，还有生活抽烟和室内病菌、霉菌以 nnl。等四1用此法合成了LaCo，Mnh03，平均粒径为 50及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢和氨气等;大气 2光催化剂在环境净化领域的应用污染物，如汽车尾气和工业废气等产生的硫化物和

氮化物。如果这些有害物得不到有效的稀释和去随着TiO:光催化技术的开发，光催化产品与市除，危害人体健康。TiO:能很好地降解大气层中污场的范围和规模越来越大，日本在TiO:光催化技术染物，Zhou Y等一?采用光催化将氮化物直接光解实用化的研究与开发，包括扩大光催化产品的应用为无害的氮气和氧气。另外，利用TiO:光催化剂领域方面进展较快。预计到2005年，日本光催化剂在光照条件下可将空气中的有机物分解为cO:、制品的市场规模将达1(2万亿日元，其中，空气净化 H:O 和相应的有机酸闭J。设备和冷库等除臭处理约占46,，下水或废水等水 2(3污水处处理市场约占32,，外墙防污瓷砖和防雾玻璃等自理 Kenji H等汹1对水中34种有机污染物的研究洁产品市场约占22,[2J J。光催化技术在抗菌防结果表明，烃类、卤代物、羟酸、表面活性剂、染料、含污、空气净化、水处理、传感器以及太阳能光电转化氮有机物和有机磷杀虫剂等均能有效进行光催化反方面有着广泛应用。应除毒、脱色和矿化，最终分解为CO:和H: O等无2(1抗菌防污害物质，从而消除环境污染。在饮用水处理方面，传利用光催化剂可充分抑制或杀灭环境中的有害统工艺不能有效去除水源中微量有机污染物，且氯微生物，使环境微生物对人的危害降低。与传统的化消毒又产生三致物质。因此，水中微量有机物的抗菌剂相比，光催化剂具有更强的氧化能力、更高的稳净化处理是当今给水处理技术面临的重要课题。定性和更长的使用寿命等优点。文献嘤1实验证

3结语明，TiO:具有分锯病原菌和毒素的作用。在玻璃上

涂,薄层TiO，，光照射3 h达到了杀灭大肠菌的效光催化在环境净化领域具有广阔的应用前果， 4h毒素含量控制在5,以下。而一般抗菌剂只制备光催化剂是决定光催化过程能否实际应景。

有杀菌作用，不能分解毒素。为使其在光线暗处也键因素，目前，虽取得较大进展，但离实际用的关

41增刊陈红霞:光催化剂的制备及其应用

蹦o titania porous micmsplmms p(el娜础定差距。因此，探索和开发各种潜在的高效新型光

tion andaxedlont in ?dmmeterim- setivlty phenohbatement photoeatalytie 催化材料应作为今后重要的研究方向。 Photoehem Photebiol [J](J A:Chem。2008，195:284—294( able- L(The fabrication and switch X参考文献: [17]Feag J，Zhai J，Jiang of nanorod K(Electrochemical of water Ti02 films[J】(A叼哪 A。Hondasuperhydro-phohieity[1]Fujishima photolysls seml(conductor atChemIntaEd。2005，44:5115—5118(electrode[J](Nature，1972，238 :37—

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范文四：光催化剂的工作原理

光催化剂的工作原理—房医生

光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物。利用光催化净化技术去除空气中的有机污染物具有以下特点：

1直接用空气中的氧气做氧化剂，反应条件温和（常温常压）

2可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果彻底。

3半导体光催化剂化学性质稳定，氧化还原性强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长。

光催化净化技术具有室温深度氧，二次污染小，运行成本低和可望利用太阳光为反应光源等优点，所以光催化特别合适室内挥发有机物的净化，在深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。

常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物，如Tio2, ZnO,CdS,WO3等，其中Tio2的综合性能最好，应用最广。自1972年Fujishima和Honda发现在受辐照的Tio2上可以持续发生水的氧化还原反应，并产生H2以来，人们对这一催化反应过程进行了大量研究。结果表明，Tio2具有良好的抗光腐蚀性和催化活性，而且性能稳定，价廉易得，无毒无害，是目前公认的最佳光催化剂。该项技术不仅在废水净化处理方面具有巨大潜力，在空气净化方面同样具有广阔的应用前景。

范文五：光催化剂的制备—开题报告

1 文献综述 .................................................................................................................................. 1

1.1 光催化材料发展概况 ................................................................................................... 1

1.1.1 光催化材料的起源与种类 ............................................................................... 1

1.1.2 改善光催化材料性能的主要方法 ................................................................... 2

1.2 目前光催化技术的应用 ............................................................................................... 3

1.3 TiO2 光催化材料存在的问题与展望 ........................................................................... 4

2 研究目的和意义 .......................................................................................................................... 5

3 研究内容 ...................................................................................................................................... 5

5 进度计划 ...................................................................................................................................... 6

参考文献 .......................................................................................................................................... 6

1 文献综述

1.1 光催化材料发展概况

1.1.1 光催化材料的理论基础与种类

自1972年，Fujishima等在Nature上发表的论文揭开了研究光催化技术的序幕。之后的几十年光催化技术在光催化抗菌、光催化污水处理、太阳能光催化分解水制氢等众多领域有了深入的发展。光催化技术以半导体的能带理论为基础。半导体的能带结构一般由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，它们之间由禁带分开。当以能量等于或大于半导体禁带宽度的光照射时，价带电子被激发进入导带，在导带上产生带负电的高活性电子(e－)，价带上留下带正电荷的空穴（h+），形成电子-空穴对，在电场作用下分离并迁移到粒子表面。

半导体光催化的基本过程可描述为：光激发诱导半导体价带电子跃迁到导带，藉此，在半导体导带和价带中分别形成电子和空穴；电子-空穴通过晶格迁移到材料表面，该过程中电子-空穴的分离和复合相互竞争；在材料表面的电子和空穴分别与周围反应介质发生还原和氧化反应。换言之，半导体光催化的基本过程可简单描述为：半导体中的光生电子-空穴在晶格中分离并迁移到材料表面参与化学反应，这期间一直伴随着电子-空穴的分离和复合的竞争过程。

理想的光催化材料有如下四个基本要求：环境友好；优异的电子-空穴分离能力；适合的能带电势，尤其在光催化分解水的应用中，要服从产氢和产氧的能带匹配原则；可见光响应能力。

目前所报道的光催化材料主要集中于：

1) 氧化物：以 TiO2、In1-xNixTaO4 等为代表

2) 硫化物：CdS、ZnS、ZnS-CuInS2-AgInS2、(AgIn)xZn2?2xS2等

3) 氧硫化物：Ln2Ti2S2O5 (Ln = 稀土元素) 等；

4) 氮化物： Ta3N5、Ge3N4、GaN等；

5) 氧氮化物：LaTiO2N、Y2Ta2O5N2、TaON、(GaN)1-x(ZnO)x、MTaO2N(M = Ca、Sr、Ba) 等； [2][1]

6) 氢氧化物：In(OH)3:S；

7) 磷化物：InP；

8) 碳化物：SiC；

9) 硅化物：TiSi2。

其中，氧化物具有化学稳定好的优点，是研究得最充分的体系，元素周期表中所有可能作为光催化剂的简单二元金属氧化物均被涉猎到，目前研究的趋势是利用能带杂化的概念开发三元乃至多元的金属氧化物或固溶体；硫化物由于共价性较强，容易获得窄的禁带宽度，但在光催化过程中不可避免地存在光刻腐蚀的现象；氧硫化物的性能介于氧化物和硫化物之间；氮化物的共价性强，氧化物半导体通过氮掺杂可明显使吸收边红移；氧氮化物性能介于氧化物和氮化物之间；其他的如氢氧化物、磷化物、碳化物和硅化物等系列作为光催化材料的研究报道并不多见。

1.1.2 改善光催化材料性能的主要方法[3]

光催化材料已经显示出了其广阔的运用前景，但光催化材料所存在的一大明显不足就是对于太阳光的利用率和转化率太低，因此，近年来许多科学家都致力于对光催化材料的改性以及光催化剂的开发。

以纳米 TiO2为例，纳米TiO2 以其无毒，光催化活性高，稳定性高，氧化能力强，能耗低，可重复使用等优点而成为最优良的光催化材料。但是TiO2 的禁带宽度( Eg=3 .2 eV) 较大，只能吸收占太阳光谱大约4%的紫外辐射 (波长=387 .5 n m)，所以不能充分利用太阳能；此外，光生电子和空穴复几率很高，导致TiO2的光生载流子利用效率低，由于存在这两个缺陷，在一定程度上制约了TiO2 光催化技术的实际应用。围绕这两个关键问题，目前半导体光催化技术研究呈现两个热点：( 1 )对TiO2进行修饰改性以扩展其有效光响应范围及提高光生电子和空穴的利用效率,提高光催化反应活性。( 2 )开发新型半导体光催化剂，要求其对可见光生电子和空穴的利用效率，提高光催化反应的活性。

影响TiO2 光催化反应活性的因素：

1）金属沉积的影响[5]：常见的沉积贵金属有Pt、P d 、Ag、Au等，其中研究最多的是P t/Ti O2体系，沉积贵金属可改善光催化剂活性。贵金属沉积之所以能改善光催化剂的活性，因为金属与Ti O2 具有不同的费米能级，大多数情况下是金属的功函高于半导体的功函数，当二者接触时，电子发生转移，从费米能级高的Ti O2转移到费米能级低的金属，直到二者费米能级相匹配。

2）金属离子修饰的影响：大量研究表明，掺入金属离子可改善TiO2的光催化性能。从化学观点看，金属离子掺杂可能在半导体晶格中引入了缺陷位置或改变结晶度等，从而影响电子一孔穴对的复合。

3）半导体复合的影响：近年来的研究表明Ti O2 —C d S、Ti O2—S n O2 等二元复合半导体几乎都表现出高于单个半导体的光催化性能，如Ti O2—S n O2 降解燃料的效率提高了1 O倍。二元复合半导体光催化活性的提高可归因于不同能级半导体之间光生载流子的运输与分离。半导体复合是提高光催化效率的有效手段。通过半导体复合可以提高系统的电荷分离效果，扩展对光谱吸收范围。

4）光敏催化剂的影响：普通粉末催化剂的量子效率不高，而纳米材料在光学性能，催化性能等方面发生了变化。光生电子与空穴从相体内扩散到催化剂表面发生氧化还原反应的时间t与颗粒尺寸与如下关系：t =d2 ／( K2 D) 式中：D为电子空穴扩散系数, d为半径，k为常数。可见粒径小，光生电子和空穴从TiO2 体内扩散表面的时间短，它们在TiO2体内的复合几率减小，到达表面的电子和空穴数量多，光催化活性高。

Ti O2能有效的将废水中的有机物降解为TiO2、CO2、PO43—、SO42 —、NO3—、卤素离子等无机小分子、达到完全无机化的目的。染料废水、农药废水、表面活性剂、氯代物、氟里昂、含油废水等都可以被Ti02催化降解。B l a k e在一篇综述中详细罗列了3 0 0多种可被光催化的有机物。美国环保局公布的1 1 4种有机物均被证实可通过光催化氧化降解矿化。

许多无机物在Ti02表面也具有光化学活性，Mi y a k a等早在 19 7 7年就用 T i O2悬浮粉末光解Cr2O72- 还原为C r3+的研究。利用二氧化钛催化剂的强氧化还原能力，可以将污水中汞、铬、铅、以及氧化物等降解为无毒物质。

1.2 目前光催化技术的应用

光催化作为一种自然现象已在电化学、光化学、催化化和生物化学等领域中得到广泛的研究和应用。

1）光催化抗菌领域：近年来，纳米材料光催化技术在太阳能光催化杀菌消毒等方面得到了快速发展。尤其是 2003 年春夏出现的严重急性呼吸道感染综合症（SARS），使得人们对预防病菌、病毒等微生物引起的环境健康问题展开了进一步研究，从而推进了纳米光催化抗菌杀毒技术研究的深入展开，各种光催化抗菌制品应运而生，并获得了迅速发展。在光催

化抗菌领域已有抗菌陶瓷制品、抗菌自洁玻璃制品、抗菌纤维、抗菌不锈钢等产品的问世。

2）光催化水处理领域：近年来，光催化氧化技术已成为水处理领域的研究热点之一。光催化氧化技术的基本原理是利用光敏半导体在光的照射下激发产生的“电子-空穴对” ，与半导体表面的溶解氧、水分子等发生反应，产生氧化性极强的 HO· ，再通过 HO·与污染物间的加合、取代、电子转移等作用，使污染物达到完全或部分矿化，最终达到降解污染物的目的。该领域的具体应用有藻类的去除、石油的降解、洗涤剂及表面活性剂的处理等。

3）太阳能光催化分解水制氢：用402nm波长的光进行照射，光催化分解纯水的效率为 0.66%。尽管这个效率不高，但能同时放出氢气和氧气，因此被誉为“利用太阳能的曙光”。

4）光催化净化空气：光催化反应对于气相挥发性有机物具有普遍较好的降解效果，同时，光催化反应对空气中的无机污染物(NOx、CO、H2S等)也有氧化去除作用。

5）光催化在金属中的防腐蚀应用：金属腐蚀遍及国民经济各部门，给国家带来巨大损失。因此，积极探索材料防腐蚀新方法，做好腐蚀与防护工作具有重要的现实意义。该技术的最大特点是在常温和常压下只利用催化剂、光、空气和水就能实现的，而且从长远来看，它可以利用取之不尽的太阳光能，因此其在腐蚀与防护领域显示出非常诱人的应用前景。日本学者 Fujishima 领导的研究小组在光催化Ti02防腐蚀方面做了一些开创性的工作。研究表明，Ti02涂层在紫外光照下可阴极保护金属 Cu、不锈钢和碳钢。随后有人报道了Ti02在紫外光或γ射线的照射下可实现不锈钢的光致阴极保护。

1.3 TiO2 光催化材料存在的问题与展望[4]

由于Ti02可见光光催化剂潜在的诱人前景，人们对它进行了广泛的研究。特别是Ti02光催化剂的可见光化研究，将为人类充分利用太阳能，改善人类生活环境迈出重要的一。目前Ti02太阳光催化技术已成为国内外研究的热点方向，并取得了一定的进展。采用金属离子掺杂、非金属元素掺杂、复合半导体、离子注入、染料光敏化等制备的Ti02 都能在可见光区域内具有较好的响应，表现出可见光光催化活性，提升了 Ti02 光催化技术的研究价值和实用前景。但由于该技术仍处于研究初期，无论是基础研究还是应用研究都还有许多问题尚待深入研究和解决。

在基础研究方面尚存在许多值得探索的课题，即：

1）对紫外光照射半导体进行光催化反应的机理已有较为系统的报道，但对各种改性方法的可见光化机理的认识尚未统一，还存在争议；对Ti02在可见光下的抗菌性能等的研究

较少。

2 ) 非金属掺杂Ti02中，如何确定其杂质能级位置、非金属的形态及其取代类型(晶格取代或间隙取代)，何种取代类型更适合光催化体系。

3 ) 采用何种物质、何种方式掺杂更为有效，能否找到新的具有更好光催化效果的半导体材料替代Ti02。

4 ) 对光催化降解过程的模型与理论分析较少，缺少用数学方法建立的光催化降解模型。利用数学方法加强理论分析，对建立污染物Ti02薄膜光催化降解模型在理论研究和应用方面具有很高的价值。

5 ) 在应用研究方面，目前尚处于实验室小型研究阶段，Ti02的制备条件与大规模工业化生产还存在一定的距离，要完全投入实际应用还需要做很多的研究工作。

2 研究目的和意义

Ti02作为一种宽禁带半导体。性质稳定，无毒，具有高光催化活性。其以太阳能化学转化和存储为主要背景的半导体光催化特性的研究始于 1 9 1 7 年。Ti02光催化环境净化技术作为探索人类可持续发展的高效环境友好新技术引起了各国环境科学家的极大关注，其实用化的研究开发也得到广泛重视，来自化学、物理、材料等领域的学者围绕太阳能的转化和储存、光化学合成、多相催化过程的原理，致力于Ti02各项性能的研究，其中光催化消除和降解成为最活跃的研究方向。

本文主要目的是通过金属掺杂的方法对Ti02 进行改性，使Ti02的光催化效能增加。 3 研究内容

本文主要研究的是Ti02光催化材料，着重研究以下内容：

1）Bi/Ti02 [6]、钨掺杂Ti02粉末的制备；

2）粉末尺寸，组分，形貌，结构的表征

3）Bi/Ti02 、钨掺杂Ti02粉末光催化效率的研究；

4 课题方案及论证

以有机钛为原料通过溶胶-凝胶法与钨、铋等金属掺杂，制备复合Ti02光催化材料。并在制备过程中探索更简便可行的工艺流程以制备尺寸、形貌、性能更佳的Ti02光催化材料。

通过XRD，TEM等设备表征粉末尺寸与形貌；光化学反应仪进行光催化实验；分光光度仪检测光催化效率。

现行实验方案根据实验室现有实验设备制定，实验方案已经指导老师的论证，在现有基础上是可行的，可以开展毕业论文设计实验。

5 进度计划

2011年1月21日～3月5 日调研、文献检索及撰写开题报告

2011年3月 5 日～4月1 日 Bi/Ti02 、钨掺杂Ti02粉末的制备，表征

2011年4月 1 日～4月10 日 Bi/Ti02 、钨掺杂Ti02粉末光催化效率测试； 2011年4月10日～4月30 日撰写并修改毕业论文

2011年4月30日～5月10日论文评阅、整改

2011年5月10日～5月15日答辩

参考文献

1. Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode [J]. Nature, 1972,238(5338):38

2. 林信平，光催化材料的结构-性能关系模型、半导体复合模型及新型铋基光催化剂. 3. 周文芳，纳米TiO2光催化剂共掺杂改性的研究进展，云南大学云南省高校纳米材料与技术重点实验室，2008（8），22.

4. 刘长坤，光催化技术应用进展，西南石油大学材料科学与工程学院，成都 610500；材料导报网2008(1),52.

5. 刘时铸，金属掺杂二氧化钛的研究进展，华南师范大学，2008（6），35