第一篇：光催化材料080804210

光催化材料的研究概況

目前，人類使用的主要能源有石油、天然氣和煤炭三種。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，地球上這三種能源能供人類開采的年限，分別只有40年、50年和240年。值得注意的是，中國(guó)剩余可開采儲(chǔ)蓄僅為1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照中國(guó)2003年的開采速度16.67億噸/年，僅能維持83年。中國(guó)石油資源不足，天然氣資源也不夠豐富，中國(guó)已成為世界第二大石油進(jìn)口國(guó)。因此，開發(fā)新能源，特別是用清潔能源替代傳統(tǒng)能源，迅速地逐年降低它們的消耗量，保護(hù)環(huán)境改善城市空氣質(zhì)量早已經(jīng)成為關(guān)乎社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。中國(guó)能源發(fā)展方向可以鎖定在前景看好的五種清潔能源: 水電、風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能和生物質(zhì)。

太陽(yáng)能不僅清潔干凈，而且供應(yīng)充足，每天照射到地球上的太陽(yáng)能是全球每天所需能源的一萬(wàn)倍以上。直接利用太陽(yáng)能來(lái)解決能源的枯竭和地球環(huán)境污染等問(wèn)題是其中一個(gè)最好、直接、有效的方法。

光催化就是利用太陽(yáng)能的一種新技術(shù)。它不僅可以直接分解水、環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)，還可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能與化學(xué)能(如氫能)等清潔能源。對(duì)于從根本上解決環(huán)境污染和能源短缺等問(wèn)題具有重要意義。下面，從光催化材料的幾個(gè)方面來(lái)簡(jiǎn)述其研究概況。

一、光催化材料的基本原理

半導(dǎo)體光催化材料大多是n型半導(dǎo)體材料，都具有區(qū)別于金屬或絕緣物 質(zhì)的特別的能帶結(jié)構(gòu)，即在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)禁帶。當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體吸收閾值的光照射半導(dǎo)體時(shí),半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷,即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,從而產(chǎn)生光生電子和空穴。此時(shí)吸附在納米顆粒表面的溶解氧俘獲電子形成超氧負(fù)離子,而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基。而超氧負(fù)離子和氫氧自由基具有很強(qiáng)的氧化性,能將絕大多數(shù)的有機(jī)物氧化至最終產(chǎn)物CO2和H2O,甚至對(duì)一些無(wú)機(jī)物也能徹底分解。

以TiO2為例，揭示了其晶體結(jié)構(gòu)、表面羥基自由基以及氧缺陷對(duì)量子效率的影響機(jī)制；采用元素?fù)诫s、復(fù)合半導(dǎo)體以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可見光響應(yīng)范圍；通過(guò)在其表面沉積貴金屬納米顆粒可以提高電子一空穴對(duì)的分離效率，提高其光催化活性。以TiO2為載體的光催化技術(shù)已成功應(yīng)用于廢水處理、空氣凈化、自清潔表面、染料敏化太陽(yáng)電池以及抗菌等多個(gè)領(lǐng)域。

二、高效光催化材料必須滿足的條件

（1）半導(dǎo)體適當(dāng)?shù)膶?dǎo)帶和價(jià)帶位置，在凈化污染物應(yīng)用中價(jià)帶電位必須有足夠的氧化性能，在光解水應(yīng)用中，電位必須滿足產(chǎn)H2和產(chǎn)O2的要求。（2）高效的電子-空穴分離能力，降低它們的復(fù)合幾率。

（3）可見光響應(yīng)特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太陽(yáng)光能的4%，如何利用可見光乃至紅外光能量，是決定光催化材料能否在得以大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的先決條件。常規(guī)anatase-type TiO2 只能在紫外光響應(yīng)，雖然通過(guò)攙雜改性，其吸收邊得以紅移，但效果還不夠理想。因此，開發(fā)可見光響應(yīng)的高效光催化材料是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

三、提高光催化材料性能的途徑

（1）顆粒微細(xì)納米化：降低光生電子-空穴從體內(nèi)到表面的傳輸距離，相應(yīng)的，它們被復(fù)合的幾率也大大降低。

（2）過(guò)渡金屬摻雜和非金屬摻雜 ：金屬：摻雜后形成的雜質(zhì)能級(jí)可以成為光生載流體的捕獲阱，延長(zhǎng)載流子的壽命。非金屬：TiO2中N，S，C，P，鹵族元素等。

（3）半導(dǎo)體復(fù)合：利用異種半導(dǎo)體之間的能帶結(jié)構(gòu)不同，復(fù)合后，如光生電子從A粉末表面輸出，而空穴從B表面導(dǎo)出。也即電子和空穴得到有效分離。（4）表面負(fù)載：將半導(dǎo)體納米粒子固定技術(shù)在不同的載體上（多孔玻璃、硅石、分子篩等）制備分子或團(tuán)簇尺寸的光催化劑。

（5）表面光敏：利用具有較高重態(tài)的具有可見光吸收的有機(jī)物，在可見光激發(fā)下，電子從有機(jī)物轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體粉末的導(dǎo)帶上。該種方法不具有實(shí)用性，一方面，有機(jī)物的穩(wěn)定性值得質(zhì)疑；另一考慮的是經(jīng)濟(jì)因素。

（6）貴金屬沉積：貴金屬有Pt, Au, Pd, Rh, Ni, Cu, Ag等。

（7）外場(chǎng)耦合：熱場(chǎng)，電場(chǎng)，磁場(chǎng)，微波場(chǎng)，超聲波場(chǎng)。目前，研究較多的 是電場(chǎng)效應(yīng)。其他場(chǎng)的研究也不少見，效果一般，更多的是從工藝層次來(lái)說(shuō)明效果，所謂理論的東西不多。

四、光催化材料的開發(fā)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外光催材料的研究多數(shù)停留在二氧化鈦及相關(guān)修飾。盡管這些工作卓有成效，但是在規(guī)?；锰?yáng)能方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。光催化研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一是發(fā)展能夠在太陽(yáng)光下高效工作的穩(wěn)定、低成本半導(dǎo)體光催化材料。為了與傳統(tǒng)的TiO2，SrTiO3等僅具有紫外光響應(yīng)的光催化材料相區(qū)別，人們稱具有可見光響應(yīng)的光催化材料為新型光催化材料。新型光催化材料開發(fā)方法主要集中在以下兩個(gè)方面：一是對(duì)紫外光響應(yīng)型寬帶隙光催化材料的改性使其獲得可見光響應(yīng)；另一方面是通過(guò)材料設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)和開發(fā)可見光響應(yīng)型光催化材料。拓展紫外光響應(yīng)型半導(dǎo)體的光響應(yīng)至可見光區(qū)的方法主要集中在元素?fù)诫s改性、半導(dǎo)體復(fù)合與光敏化等方面。另外，通過(guò)材料設(shè)計(jì)的方法，從晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，采用理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法也可以獲得具有可見光響應(yīng)的光催化材料。

（一）傳統(tǒng)光催化材料改造

1、摻雜改性：元素?fù)诫s可以通過(guò)軌道雜化有效地改變半導(dǎo)體的導(dǎo)價(jià)帶位置。半導(dǎo)體光催化材料摻雜改性主要有3種方式：調(diào)控導(dǎo)帶位的陰離子摻雜、調(diào)控價(jià)帶位的陽(yáng)離子摻雜以及共摻雜。陰離子摻雜主要采用B，c，N，S和P等非金屬元素的P軌道和氧化物半導(dǎo)體中的O：P軌道雜化提高其導(dǎo)帶位置，從而使一些寬帶隙半導(dǎo)體具有可見光響應(yīng)；陽(yáng)離子摻雜則多采用cr，Nj，F(xiàn)e，V等具有3d電子軌道的過(guò)渡族金屬在寬帶隙氧化物半導(dǎo)體的帶隙中插入一個(gè)能帶使其獲得可見光響應(yīng)；上述兩種摻雜方式一般遵循原子比例平衡原則。共摻雜則在遵循原子比例平衡條件下兼顧化合價(jià)態(tài)平衡，以陰、陽(yáng)離子共摻同時(shí)調(diào)整半導(dǎo)體的導(dǎo)、價(jià)帶位置，改變能帶結(jié)構(gòu)，改善光催化活性。對(duì)傳統(tǒng)光催化材料的摻雜改性主要以TiO2為代表。

2、復(fù)合半導(dǎo)體：復(fù)合半導(dǎo)體光催化材料目前主要有兩大類：固溶體和異質(zhì)結(jié)。利用兩種半導(dǎo)體形成固溶體，其性質(zhì)隨各個(gè)組元在固溶體中所占百分比而變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體帶隙的連續(xù)可調(diào)，因而固溶體半導(dǎo)體光催化材料近年來(lái)得到了廣泛發(fā)展。固溶體光催化材料按照能帶調(diào)控可以歸為三類：導(dǎo)帶連續(xù)調(diào)控、價(jià)帶連續(xù)調(diào)控以及雙帶同時(shí)調(diào)控。

（二）新型光催化材料的開發(fā)

目前，新型光催材料設(shè)計(jì)方法主要以量子化學(xué)計(jì)算方法為主。借助于理論計(jì)算可以清晰地了解半導(dǎo)體光催化材料電子結(jié)構(gòu)、能帶信息以及光催化反應(yīng)影響因素。利用這一方法已成功地研究了元素?fù)诫s、取代對(duì)光催化材料性能影響的物理機(jī)制，并由此設(shè)計(jì)出一批新型光催化材料。最近幾十年，光催化材料種類得到了極大的豐富，大致可以歸為以下幾類：氧化物半導(dǎo)體、氮氧化物半導(dǎo)體、硫化物半導(dǎo)體以及相應(yīng)的固溶體光催化材料。

多元氧化物：在現(xiàn)有光催化材料里，多元氧化物催化材料占了絕大多數(shù)?？纱笾職w結(jié)為含In，含Ag，含Bi以及Ti，Ta，Nb基等多元氧化物。他們?cè)诳紤]晶體結(jié)構(gòu)以及運(yùn)用導(dǎo)價(jià)帶調(diào)控等手段發(fā)展了一系列新型氧化物光催化材料。目前，以日本學(xué)者J.Sato為代表的研究人員，已經(jīng)把目光鎖定在p區(qū)元素氧化物上，如含有Ga，Ge，Sb，In，Sn，Bi元素的氧化物。

氮化物與氮氧化物:在氮氧化物體系中，由于N與O雜化所形成的2p軌道能級(jí)要高于O的2p軌道能級(jí)，因而氮氧化物的價(jià)帶電勢(shì)比對(duì)應(yīng)的氧化物的價(jià)帶電勢(shì)要高，從而縮小了禁帶寬度，促使其對(duì)可見光具有吸收。Ta的氮氧化物(TaON，Ta3N5)在光催化氧化水為分子氧方面表現(xiàn)出較高的活性，其中TaON在420 nm單波長(zhǎng)光輻照下最高量子效率可達(dá)34％。氮氧化物光催化材料一般具有合適的導(dǎo)價(jià)帶位置，因而在光催化分解水制氫和環(huán)境凈化方面均具有巨大的應(yīng)用潛力。有Ｔa／Ｎ，Ｎb／Ｎ等體系。

硫化物：硫化物作為一類光催化材料具有合適的帶隙和良好的光催化分解水產(chǎn)氫活性，然而這一類催化材料大多光穩(wěn)定性差，在光輻照下容易發(fā)生光腐蝕，因而限制了這一類光催化材料的應(yīng)用。但在CdS表面擔(dān)載少量的MoS2可以較好地克服光腐蝕問(wèn)題，且進(jìn)一步的研究表明硫化物顆粒之間所形成的界面十分平滑，從而有利于載流子傳輸一分離。主要有ＺnＳ，ＣdＳ等。

聚合物：2008年，王心晨等人報(bào)導(dǎo)了類石墨結(jié)構(gòu)的氮化碳(g-C3N4)具有可見光下分解水產(chǎn)氫或產(chǎn)氧活性。與目前所有光催化材料不同的是，該材料具有簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)、價(jià)帶分別由C2p和N2p軌道構(gòu)成。后續(xù)，他們又利用金屬元素對(duì)g-C3N4進(jìn)行了功能化修飾，研究表明，金屬修飾可以改變g-C3N4的電子結(jié)構(gòu)，其中Fe修飾的g-C3N4表現(xiàn)出了良好的光催化降解苯的性能。這一類材料因晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故對(duì)其進(jìn)行研究有助于對(duì)光催化現(xiàn)象的認(rèn)知。

新興光催化材料：眾所周知，鹵化銀具有光不穩(wěn)定性。以AgC1為例，在光照射下，光生電子與銀陽(yáng)離子結(jié)合可將氯化銀還原成金屬銀。值得一提的是，2008年，黃伯標(biāo)小組制備了一種具有等離子體效應(yīng)的Ag@AgC1光催化劑。他們首先利用離子交換法制備了結(jié)晶性良好的AgC1，然后在光與弱還原劑作用下，將部分AgC1還原成Ag納米顆粒。Ag顆粒具有很高的表面等離子體效應(yīng)，使其能夠高效地吸收可見光，因而具有較高的光催化降解有機(jī)物活性。最近，他們利用同樣的思想發(fā)展了Ag@AgBr光催化材，同樣具有較高的光催化活性。Ag@AgX(X=C1，Br)等離子體光催化材料有效地拓展了鹵化銀在可見光區(qū)的光吸收，提高了對(duì)太陽(yáng)光的利用。且由于金屬銀與鹵化銀的緊密接觸，使體系內(nèi)所產(chǎn)生的電子能較容易由金屬銀顆粒傳遞，保證了體系的穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)開辟了一條通過(guò)金屬表面等離子體效應(yīng)拓展光催化材料可見光光吸收，進(jìn)而提高光催化材料性能的新途徑。

最后，需要說(shuō)明的是，目前高效光催化材料開發(fā)仍然存在很多難題。針對(duì)這些難題，迫切需要從光催化物理本質(zhì)出發(fā)，以先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段揭示影響光催化反應(yīng)過(guò)程的關(guān)鍵因素所在。深化對(duì)于光催化反應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，由宏觀的、定性的描述到微觀的、定量的研究，對(duì)光吸收、電子空穴激發(fā)和輸運(yùn)過(guò)程以及界面動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行綜合研究，闡明能量傳遞和轉(zhuǎn)換的機(jī)制，以指導(dǎo)如何高效地發(fā)揮現(xiàn)有光催化材料的催化活性和開發(fā)高量子效率的光催化材料。

第二篇：光催化翻譯

納米光觸媒材料： 可能性和面臨的挑戰(zhàn)

Huo Tong，Shuxin Ouyang, Yingpu Bi, Naoto Umezawa, Mitsutake Oshikiri,and Jinhua Ye*

半導(dǎo)體光催化作為全球能源短缺和環(huán)境退化在對(duì)抗?jié)撛诘慕鉀Q方案方面受到很大關(guān)注。這篇文章綜述了最先進(jìn)的研究活動(dòng)在古人專注于通過(guò)光催化提供材料科技的可能性。我們開始努力探索合適的材料，優(yōu)化其能量帶的特殊的配置的應(yīng)用離子的調(diào)查。然后，我們研究的設(shè)計(jì)和制作先進(jìn)光催化溶材料在納米技術(shù)的框架。許多在光催化的大多數(shù)最新進(jìn)展得到實(shí)現(xiàn)由納米材料的選擇性控制或利用集體納米裝配系統(tǒng)的屬性。最后，我們討論光催化材料理論認(rèn)識(shí)當(dāng)前的關(guān)鍵的方面。這項(xiàng)審查還強(qiáng)調(diào)了今后的研究活動(dòng)中應(yīng)處理的重要的題材。1.1基本寬半導(dǎo)體光催化

在半導(dǎo)體光催化的觀點(diǎn)中，光催化扮演了一個(gè)發(fā)起或加速特殊的紅眼突變和輻照半導(dǎo)體的職權(quán)范圍（還原）氧化反應(yīng)在存在的作用。光吸收和的電子整個(gè)的組合發(fā)生作用光子的能量匹配或超過(guò)原來(lái)時(shí)應(yīng)舉行 [1-3]。在半導(dǎo)體中，再生產(chǎn)-帶(CB)電子(ecb)有化學(xué)的潛力+ 0.5 –1.5 V與原來(lái)的正常氫電極進(jìn)行交換（鈉氫交換體)，因此他們可以采取行動(dòng)的作為再生者。價(jià)-帶(VB)孔(hvb +)表現(xiàn)出強(qiáng)大的氧化能力的潛力+ 1.0 +3.5 V 與鈉 [1]氫交換體。最初，精力的入射光子存儲(chǔ)在半導(dǎo)體光材料中；它然后轉(zhuǎn)換演講電子流程和表面/界面反應(yīng)的化學(xué)形態(tài)。非常規(guī)催化的熱力學(xué)，生動(dòng)自發(fā)反應(yīng)(模擬 < 0)，但也非 自然的反應(yīng)(模擬 > 0)可以促進(jìn)光催化。在前面的情況下，輸入的能量用于克服，以便在溫和條件下增加反應(yīng)速度或者適宜的反應(yīng)條件。在后者的情況下，能量輸入 的一部分被轉(zhuǎn)換成累積的在反應(yīng)產(chǎn)物中的化學(xué)能量。

一般情況下，半導(dǎo)體光催化循環(huán)包括三個(gè)步驟（參見圖 1）：第一，CB，離開一個(gè)平等的 多空置的站點(diǎn)（孔）； 從 VB 電子照明過(guò)渡；第二，興奮的電子和孔遷移到表面 ；第三，他們分別和表面的電子捐助者(D)和電子受體（A）進(jìn)行反應(yīng)。在第二步，大部分電子-空穴對(duì)的重組，在該窗體的熱輸入的能量耗散或發(fā)光。若要防止的重組線纜孔對(duì)，方法具有一般應(yīng)用的是半導(dǎo)體表面負(fù)載鉑、鈀、鎳、、RuO2 等在復(fù)合催化劑。異質(zhì)結(jié)已經(jīng)形成的主機(jī)半導(dǎo)體與聯(lián)合催化劑提供的內(nèi)部的電動(dòng)坡，便于分離的電子-空穴對(duì)并誘導(dǎo)快承運(yùn)人遷移。此外，這些在復(fù)合催化劑上表現(xiàn)出更好的電導(dǎo)率，低過(guò)電位和更高的催化活性比主導(dǎo)半導(dǎo)體光催化作為全球能源短缺和環(huán)境退化在對(duì)抗?jié)撛诘膯?wèn)題受到很大關(guān)注。最后，我們討論光催化材料理論認(rèn)識(shí)當(dāng)前的關(guān)鍵的方面。這項(xiàng)審查還強(qiáng)調(diào)了今后的研究活動(dòng)中應(yīng)處理的最關(guān)鍵的問(wèn)題。

圖1：溶材料在納米技術(shù)的框架

佟華，從中國(guó)的浙江大學(xué)在 2001 年獲得了學(xué)士學(xué)位，2007年，在上海研究院、中國(guó)學(xué)院科學(xué)(上海硅酸鹽研究所)獲得博士學(xué)位。2008年至今，在葉教授團(tuán)隊(duì) 的隊(duì)伍博士后研究員在全國(guó)的研究所（日本）研究材料科學(xué)。他目前的研究重點(diǎn)甲醚納米光催化材料的屬性。

歐陽(yáng)舒心，2004年獲得南京大學(xué)學(xué)士學(xué)位，2009年獲得材料科學(xué)的博士學(xué)位，在南京大學(xué)鄒志剛教授和葉金華教授的指導(dǎo)下。從2009起，他在葉教授的工作組中作為一名博士后研究員在全國(guó)的研究所（日本）研究材料科學(xué)。他很感興趣發(fā)展和組裝新光觸媒、電子結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光觸媒。

葉金華，1990年在東京大學(xué)獲得博士學(xué)位。在那之后，她加入大阪大學(xué)教員，然后去了國(guó)家研究所研究金屬材料（formername 的 NIMS)工作了18個(gè)月。她在 2006 年是被派往研究光催化材料的中心作為管理主任。她現(xiàn)在是環(huán)保的可利用的材料、研究單位和材料的核心人員和原則調(diào)查員國(guó)際研究中心主任。她也是修飾語(yǔ)的北海道大學(xué)化學(xué)系教授。她最近的發(fā)明的利益重點(diǎn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和新能源的產(chǎn)生 1.2歷史上的光催化材料.史上Fujishima發(fā)現(xiàn)的 TiO2 電解水光的光催化材料。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)和 1972 年 [4] 本田已被視為光催化方法，受刺激的光子的能量轉(zhuǎn)換的標(biāo)志性事件。雖然 歷史上的光催化可以追溯到上世紀(jì) 60 年代 [5]。自那時(shí)以來(lái)，已進(jìn)行激烈的研究上 TiO2光催化，它一直側(cè)重于了解急劇原則，[1,9]，改變光催化的效率，加強(qiáng)和擴(kuò)大范圍的應(yīng)用程序。[10] 在添置氫燃料生產(chǎn)、TiO2光催化的許多其他潛在使用已是經(jīng)可識(shí)別的，像無(wú)毒的污水，消毒，如親水自潔，消除無(wú)機(jī)有機(jī)氣態(tài)污染物的反應(yīng)和患的有機(jī)燃料的綜合 [10-12]。

不幸的是，TiO2 并不適用于所有目的和每個(gè)形式而是差在太陽(yáng)能光催化與關(guān)聯(lián)的進(jìn)程。原則上，TiO2 可以利用其中太陽(yáng)能照射地球是表面及其寬帶隙的不超過(guò) 5%（3–3.2 eV)。在過(guò)去十年，一直致力于修改 TiO2，包括能量調(diào)制摻雜元素如 [

13、14] N、C和S，拖延異質(zhì)結(jié)的建設(shè)相結(jié)合 TiO2和 金屬鉑、鈀或其他半導(dǎo)體等此類的像NiO、RuO2、WO3 或 Cd，[15-17]再加入一些微小的原子，TiO2 表面的量子染料以及更好地輕宣傳。[18-21] 同時(shí)，使用常規(guī)半導(dǎo)體貨量 SrTiO3 [22,23] 和 WO3 [24] 在光催化一直在尋找替代物 TiO2 可能的選擇。在過(guò)去十年，盡最大努力已被作為新型的光催化材料，包括鈮、鉭電照片功能材料及其應(yīng)用和發(fā)芽，他們加入+ d0 或 d10 電子對(duì)，如 In3 + Ga3 +、Sb5 +、Bi5 +、銀等陽(yáng)離子。[25-36]這些新型半導(dǎo)體證明是其中最成功的光催化劑。

例如，NiOx/In1-x NixTaO4 是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)催化整體水光解下可見光解釋的燃料。[35]作為替代材料可見太陽(yáng)能光催化氮化物和氧化物（CdS、Ta3N5 和從不走調(diào)是最有前途的例子)的材料已經(jīng)進(jìn)入令人研究階段。[37] 除了經(jīng)典半導(dǎo)體，聚合物 C3N4 是氫的最近可識(shí)別的，作為新的光催化載體生產(chǎn)的在水中可見的光。[38]

經(jīng)過(guò)在上世紀(jì) 80 年代和 90 年代活動(dòng)較少的時(shí)間，科學(xué)和工程項(xiàng)目的觀點(diǎn)的光催化研究興趣發(fā)展迅猛。這是納米技術(shù)的快速發(fā)展很大程度上歸結(jié)于它具有的先進(jìn)的特征，如透射電鏡、EELS和 XPS，其中提供巨大的機(jī)會(huì)，以實(shí)現(xiàn)的光催化技術(shù)預(yù)期潛力。經(jīng)過(guò)過(guò)去的四十多年來(lái)的不懈努力，取得在半導(dǎo)體半導(dǎo)體光催化顯著進(jìn)展。商業(yè)光催化的產(chǎn)品，包括空氣自凈和自潔窗戶，已經(jīng)成為市場(chǎng)上的一個(gè)數(shù)字。但是，為其他重要應(yīng)用程序文正制氫和光電太陽(yáng)能電池的有機(jī)燃料或制造等，很多的發(fā)展思路仍之前需要商業(yè)化是可能的。1.3 主要挑戰(zhàn)機(jī)遇

我們已經(jīng)看到的納米材料已成為新型的光催化和代表了這一領(lǐng)域當(dāng)前的大多數(shù)帳戶。納米材料可以提供表面積大、豐富的表面狀態(tài)、不同形貌和簡(jiǎn)單的 儀器的模型，所有這些都是屬性歸結(jié)于光催化。在近年來(lái)，重要的發(fā)展已經(jīng)在納米材料領(lǐng)域取得了。[39-49]不過(guò)，納米材料，尤其是在太陽(yáng)能光催化必須得到提高，以滿足工程需要。再者，穩(wěn)定性和這些材料的成本應(yīng)還仔細(xì)考慮。因此是一大重要凹槽，找出并設(shè)計(jì)半導(dǎo)體新材料是必要，穩(wěn)定和豐富的挑戰(zhàn)。

第一個(gè)屬性相關(guān)的光催化活性是一個(gè)半導(dǎo)體的其能量帶的產(chǎn)生，而阻止地雷事件光子、光量子的電子-空穴對(duì)，遷移的運(yùn)營(yíng)商和 在修復(fù)的能力對(duì)激發(fā)態(tài)的電子和空穴的吸收。[50] 因此，能源帶工程是窗戶的半導(dǎo)體光催化劑制備的一個(gè)基本方面。當(dāng)作常規(guī)的吸收，直接和窄帶隙的半導(dǎo)體更有可能展示高吸收，因此是適合 有效的低能量的光子的收獲。不過(guò)，經(jīng)常符合所需帶有電子化學(xué)潛在的觸發(fā)器特殊的氧化還原反應(yīng)(如圖二)。這些結(jié)合概率高的光電子-空穴對(duì)，在這些類型的半導(dǎo)體和樂(lè)隊(duì)的合作。間接帶隙半導(dǎo)體的事實(shí)，但他們 TiO2 和 WO3 等一些知名制氫展示突然發(fā)病的吸收像直接帶隙的半導(dǎo)體的職權(quán)范圍。為了調(diào)節(jié)帶隙和邊帶位置精確的方式，這兩種摻雜和固態(tài)解決方案戰(zhàn)略已經(jīng)廣泛的不同元素調(diào)查和應(yīng)用。[51–57]此外，顆粒電子半導(dǎo)體納米晶有最近發(fā)現(xiàn)并且有效地在能源帶重建和禁帶變窄起作用。[58,59]利用有效的入射光子半導(dǎo)體光催化材料可以進(jìn)一步改善比能量帶工程，例如提高面向光致敏的量子點(diǎn)，列入光電子[60] 等離子體激子耦合錨的貴金屬納米粒子在復(fù)合催化劑上與主機(jī)半導(dǎo)體、[61] 和半導(dǎo)體光子晶體中的光復(fù)合。[62]

圖2

另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題包括半導(dǎo)體光催化的能力在其表面/接口具有的化學(xué)性質(zhì)。表面能源和化學(xué)吸附性能扮演重要的角色，在物質(zhì)界面之間轉(zhuǎn)移電子與能源，在執(zhí)政的選擇性與過(guò)電位的氧化還原反應(yīng)在光觸媒邊緣上，以及確定光量子載體對(duì)照片腐蝕的易感性。[63,64] 通常，較高的表面能量收益較高的催化活性。最近，很多機(jī)構(gòu)已經(jīng)把目標(biāo)集中在半導(dǎo)體晶體上，以便提供的高度大的百分比的研究重點(diǎn)。[65–67]故意編造這種材料 受到照射晶體的熱力學(xué)增長(zhǎng)機(jī)制的嘗試。選擇性吸收的聚合物或離子在更高的能源方面用以抑制其軸的增速。在這種方式，有可能增特殊材料的表面具有更高的能量，將近100%的的能量。

盡管獲得了重要的見解，在光催化的機(jī)制的影響都還不知道的很詳細(xì)。這種目標(biāo)的滿足需要諸如電子的結(jié)構(gòu)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)的捷聯(lián)慣組半導(dǎo)體的幫助下進(jìn)行理論研究。事實(shí)上，光催化理論研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)工作，有了很顯著的進(jìn)步。上述的計(jì)算過(guò)程方法需要對(duì)光催化有一定程度的了解。計(jì)算結(jié)果獲得然后提高價(jià)格水平的這種認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)對(duì)光催化材料和才能的有實(shí)際的改進(jìn)。

近年來(lái)，出現(xiàn)了大量的文學(xué)評(píng)論，處理不同主題的光催化股票掛鈎存款等為基本原則，[68,69] 表面/接口光化學(xué)過(guò)程，[70] 環(huán)境治理、[71,72] 水 [75,76] [73,74] 材料的開發(fā)、光解和光合作用。[12,77]在這里我們超越上述審查和關(guān)注的范圍的設(shè)計(jì)和制造的先進(jìn)的光催化工控機(jī)能源帶工程（第2 節(jié)）、納米技術(shù)(第3 和 4 節(jié))，和現(xiàn)代理論模擬和計(jì)算(第5 節(jié))。在檢討中，我們提供調(diào)查的實(shí)驗(yàn)與理論，主要最近取得的成就和突出的途徑和重要的影在環(huán)境可以接受的可見光和太陽(yáng)能應(yīng)用的發(fā)展方面的重要性。

2．能源帶工程

能源帶指出半導(dǎo)體的扮演著重要的角色，在對(duì)光線的吸收和在確定氧化還原電位。目的而有效地利用太陽(yáng)能，能源帶工程代表有效途徑小道的勘探與開發(fā)可見光敏感光催化劑具有先進(jìn)的性能。為了縮小范圍擴(kuò)大吸收光在的可見區(qū)域的半導(dǎo)體的分割帶中，三種方法已廣泛的應(yīng)用到:(I)修正VB、(二)調(diào)整 CB 和(III)連續(xù)調(diào)制的 VB 或 CB(見圖 3)

圖3 2.1.調(diào)制的VB

大多數(shù)氧化物半導(dǎo)體中，CB 極小值（而不是鈉氫交換體)在 H2O中減潛力比明顯是消極的，但是 VB 極大值在在水氧化（而不是鈉氫交換體中起著重要的積極作用。因此，為材料穩(wěn)定性的考慮，提高 VB以減少帶隙帶來(lái)的對(duì)能量帶的其他的 弊端。在過(guò)去的幾十年中，擴(kuò)大的影響已經(jīng)被應(yīng)用到調(diào)整VB的水平中。三種方式已被證明是最有效的，涉及活潑的3d 過(guò)渡元素，包括d10 或 d10的陽(yáng)離子和非金屬元素。

在早期的研究中，敏感的 TiO2 可見光，因?yàn)橛谢顫姷?d 過(guò)渡元素而吸引了相當(dāng)大的注意。[78–82]理論研究基于從頭帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算文正顯示本地化的 3d 水平轉(zhuǎn)向增加摻雜低能量的原子數(shù)目。因此，生產(chǎn) 3d 的國(guó)家可以到原始的帶隙混合的 CB 或 VB，并在某些情況下可以裝換成新的帶區(qū)。[83,84] 如果還考慮到不同化學(xué)價(jià)鍵和自旋態(tài)，電子結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。鄒和同事報(bào)告了 In1-xNixTaO4（x = 0–0.2），開拓一例興奮劑 3d-過(guò)渡金屬氧化物。[35,85] 這種材料已被用作為催化劑，將NiOy 或 RuO2加入復(fù)合催化劑，滿載時(shí)螺絲釘整體水在可見光照射下分裂。出現(xiàn)量子 的有效率達(dá)到 0.66%，已經(jīng)得到了 NiOy/In0.9Ni0.1TaO4 的入射波長(zhǎng) λ = 402 nm。如何過(guò)摻雜 3d 過(guò)渡元素可以有兩個(gè)關(guān)鍵的不利因素，限制其適用性。首先，有不同化學(xué)價(jià)的外來(lái)元素介紹相當(dāng)大的體缺陷，并因此增加重組照片產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的概率。第二，本地化的價(jià)態(tài)電子結(jié)構(gòu)取消遷移的運(yùn)營(yíng)商。

因?yàn)橛袠O少數(shù)的方法來(lái)修改電子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的金屬氧化物，作為多金屬 氧化物像 Ag +-、Pb2 +-，和 Bi3 +-[25，27-29, 86–91] 基于的化合物在過(guò)去十年吸引了越來(lái)越大的興趣。在這些氧化物中，d10 或 d10s2 電子配置能與陽(yáng)離子引入被占領(lǐng)的 d 或 s 國(guó)這些 d/s 國(guó)，雜交的 O 2 p 國(guó)家有助于向上移的 VB 頂?shù)?VB，因此收窄帶隙。一個(gè)典型的例子是基于雙光觸媒 CaBi2O4、夫妻店分解氣體乙醛和降低可見光照射下溶液中的亞甲藍(lán)(MB)。[29] Ef 環(huán)城次生化合物的 CaBi2O4 可以歸因于其電子結(jié)構(gòu)，包括雙 6 p 國(guó)家在 CB 和雜交化國(guó)家來(lái)自 O 2 p 和雙 6s 水平在 VB。協(xié)議-ingly、CaBi2O4 均有凸起的 VB 最大使狹窄去變得敏感，可見光的帶隙的充分性。此外，參與的 Bi 6s 國(guó)家重要的分散VB，便于遷移的孔。同樣，銀 +-基于和 Pb2 +-基于氧化物如 AgNbO3 也對(duì)光敏可見光有影響，由于對(duì)被占領(lǐng)的 Ag 4d或者Pb 還制定了頂部的相同的策略，一大批新可見光敏感光催化劑泰寧銅 + 和 Sn2 + VB。基于 Pb 6s 國(guó)家。[92–95] 用于提高 VB 最大的其他戰(zhàn)略是介紹警惕不同陰離子 O 的網(wǎng)站上。例如，已廣泛調(diào)查 TiO2 已經(jīng)摻雜 N、C、B 和 S 和這些材料的光催化適當(dāng)?shù)年P(guān)系。[13，96–98]但是，只有有限的光吸收的增強(qiáng)至今尚未取得成功。N-興奮劑，光吸收 邊緣保持中的非摻雜材料幾乎相同。摻雜C、B 和 S 窄帶隙小于 0.3 eV.然而，關(guān)鍵是擴(kuò)展名的可見光吸收通過(guò)陰離子的興奮劑仍事一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。Et al.李報(bào)告表明分層結(jié)構(gòu)和質(zhì)子酸性的層狀固體酸性能提供的擴(kuò)散通道和強(qiáng)烈吸收網(wǎng)站論壇氮源，允許增加的興奮劑 N，在圖 4 中看到的。[56,99,100] 在典型的示例中所示，淺顯的固態(tài)反應(yīng)以尿素為氮源準(zhǔn)許淺顯的HNb3O8摻氮，而不破壞它的分層的結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程產(chǎn)生了 0.8 eV 減少帶隙和吸收邊緣80 nm 的區(qū)轉(zhuǎn)移。在可見光放射下，摻雜N HNb3O8.在商業(yè) TiO2(P25）以及 N 摻雜的 Nb2O5 和 TiO2的樣品中，顯示優(yōu)越的催化活性。[56] 對(duì)于一些簡(jiǎn)單的氧化物和金屬氧化物，晶體結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)所占的比例取代陰離子超過(guò)其公差 ；然后及氮氧化物、硫氧化物或氧鹵轉(zhuǎn)化開始，[101–105] 它可以促使可見光吸收，并且增加了他的重要性。Hitoki 和他的工作發(fā)明了TaON來(lái)說(shuō)明這種效果。與 Ta2O5 相比，從不走調(diào)展品窄帶隙 2.5 電動(dòng)汽車和吸收邊緣就是紅移的 170 nm。[101] 下可見光 irra-輻射，從不走調(diào)分別啟用 H2 和 O2，從甲醇和 AgNO3 的解決方案，有效的進(jìn)化論。及氮氧化物等的像LaTiON、硫氧化物如 Sm2Ti2S2O5 和氧鹵素像BiOX（X = Br，I)[102–105] 可以也可以有效地收獲可見光和展示高水分裂狀況和有機(jī)污染物降解的光催化活性比其氧化前的象限。這些非金屬元素中，S 可以經(jīng)常完全的代替O，將氧化物轉(zhuǎn)化為硫化物，因?yàn)镺和S都屬于可以通過(guò)的行列。一系列的硫化物已報(bào)告，包括硫化鎘，AgInZn7S9，ZnIn2S4，比其氧化類似物等等，[106–109]比可見光吸收的效果要好。這些硫化物，因此表現(xiàn)出高的光催化活性的可見光線照射下的Na2S Na2SO3 水溶液中的 H2 變遷。

圖4 2.2.調(diào)整傳導(dǎo)領(lǐng)域

雖然VB 的調(diào)節(jié)是一般的高優(yōu)先級(jí)、CB 的水平與生成H2O 和 O2 能力密切相關(guān)，因此也應(yīng)該得到重視。當(dāng) CB 是在適當(dāng)?shù)募?jí)別時(shí)，在 CB 體系電極可以減少 H +，以便于生產(chǎn) H2或者形成高度氧化等原因 的O2，和分解各自應(yīng)用水和有機(jī)污染物的消除自由基的 O2。應(yīng)當(dāng)指出的是，CB 的價(jià)格水平可以確定進(jìn)行反應(yīng)的過(guò)程是否有效和有效地過(guò)程是如何的。因此，調(diào)節(jié) CB 應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行。

替代的堿金屬或堿土金屬的元素，由低繞表中的元素被認(rèn)為是有效的降低CB 的最小值。[110–117]佐藤 et al.已經(jīng)系統(tǒng)地調(diào)查這一思想的實(shí)效性，在有機(jī)污染物和銻酸鹽的領(lǐng)域，如 AInO2（A = Li Na），和 CaSb2O6。NaSbO3，MIn2O4(M = Ca，Sr)，M2Sb2O7(M = Ca，Sr)，[ 113–116]這些研究有助于提供洞察光催化布魯斯整體水分裂的晶體結(jié)構(gòu)和承繼結(jié)構(gòu)的作用。

P-塊陽(yáng)離子與 d10 電子組態(tài)也可以為操縱CB 的水平做出貢獻(xiàn)。例如，鄒和他的同事在 Bi2MNbO7中納入 IIIa元素(M = 鋁，Ga，）且操縱這些替代的電子結(jié)構(gòu)的影響和 光催化活性對(duì)化合物分解水的影響。[118] 這些光催化劑是幾乎 UV-活性，因?yàn)榇蠖鄶?shù) s 和 sp 說(shuō)明是堿金屬元素，堿土金屬元素和 IIIa 組元素是顯著地對(duì)水的生成有消極的影響（而不是鈉氫交換體)。因此，如 Ag2O、Fe2O3 和 Cu2O 窄帶隙氧化物的組合使這些元素很可能幫助可見光敏感光催化劑的發(fā)展。歐陽(yáng)和同事編造四個(gè)多晶樣品，他們是α 和 β-AgMO2(M = 鋁，概，In)來(lái)研究他們的光物理和光催化的適當(dāng)?shù)年P(guān)系。[26] 如圖 5A 所示，以α AgMO2(M = 鋁，遺傳算法，在）為例，電子結(jié)構(gòu)計(jì)算提供收窄帶隙為禁止在系統(tǒng)中發(fā)生提供了一個(gè)合理的解釋。當(dāng)M不同的時(shí)候Al，Ga，In也不同。CBs主要由Ag 5s5p和 M sp部分構(gòu)成的，而所有的VBs都是由Ag 4d和O 2p部分組成的。這將導(dǎo)致 VBs 具有相同的能力，但 CBs與M不同。它表明一個(gè)較低的 CB 最低增加吸收可見光，但減少潛在的。整體效果是異丙醇的光降解，就是展示α-AgGaO2的最高級(jí)的活性活動(dòng)（IPA）（圖 5B，C）。此外，比較研究α-AgGaO2 和β AgGaO2澄清電子結(jié)構(gòu)和光催化性能的對(duì)晶體領(lǐng)域的影響。最近，Yi et.al進(jìn)行調(diào)查非金屬元素Ag3PO4 光觸媒，發(fā)現(xiàn)3s3p領(lǐng)域的非金屬元素P可以用來(lái)調(diào)整相對(duì)低洼的 Ag2O中的 CB 正磷酸鹽。Ag3PO4樣品 展示了極高的從水中光氧化O2的能力，以及有機(jī)染料在可見光照射下的代數(shù)的演變。在可見光區(qū)域 400–480 nm 范圍內(nèi)，可出現(xiàn)的量子的效率達(dá) 80%以上。[119]

圖5 另一種方法來(lái)操縱 CB 最最小值是基于替代具有 d0 的電子組態(tài)的d 塊陽(yáng)離子的基礎(chǔ)之上的。例如，InMO4(M = V、鈮、鉭)和 BiMO4(M = Nb，達(dá)）被發(fā)展為分離水的光催化劑。[34,120,121]結(jié)果發(fā)現(xiàn)團(tuán)組 Vb元素V，VB和Ta抑制CB的最小值并且對(duì)安置下跌周期數(shù)減少有影響。同樣的，鉬和鉻的替代還下調(diào)了CB 的水平，從而收窄帶隙。[122] 作為一個(gè)典型的例子，AgCrO2 和 Ag2CrO4（AgCr1/2O2)的合成是通過(guò)合成p-塊元素的 帶Cr 的AgAlO2中的 Al來(lái)獲得吸收的綜合，擁有廣泛的可見光波長(zhǎng)和光催化活性?？梢哉{(diào)節(jié)化學(xué)價(jià)關(guān)于鉻更復(fù)雜的方式控制Cr帶隙的化學(xué)能。[123一個(gè)比較電子結(jié)構(gòu)研究證明引入空置的 Cr 3d到 CB中，縮小原帶隙的空間并同時(shí)保留有必要促進(jìn)可見光次生化合物的氧化潛力。Ag2CrO4 展出優(yōu)越的光催化，使TiO2(P25)和 AgAlO2更加商業(yè)化地消除有機(jī)污染物，是歸因于范圍可見輕吸響應(yīng)（l < 640 nm）的優(yōu)越次生化合物

第三篇：,2014中日韓光催化國(guó)際會(huì)議

“2014中日韓光催化國(guó)際會(huì)議暨國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)”圓滿閉幕

“2014中日韓光催化國(guó)際會(huì)議暨國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)”（CJK-JCPS2014）于2014年5月26日下午在江蘇無(wú)錫圓滿閉幕。本次大會(huì)由中國(guó)感光學(xué)會(huì)光催化專業(yè)委員會(huì)主辦。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所、中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量部、全國(guó)工業(yè)陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)、無(wú)錫市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、無(wú)錫市濱湖區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、無(wú)錫市濱湖區(qū)科技局、無(wú)錫馬山國(guó)家生命科學(xué)園、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)并日本光觸媒工業(yè)會(huì)、韓國(guó)光觸媒協(xié)會(huì)等單位和機(jī)構(gòu)協(xié)辦，無(wú)錫普睿生物環(huán)?？萍加邢薰?、北京五谷祥云文化傳媒有限公司、無(wú)錫湖濱飯店有限公司共同承辦。大會(huì)以“創(chuàng)新研究、拓展應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化”為主題，分為學(xué)術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)交流兩部分，從光催化材料研究領(lǐng)域的創(chuàng)新研究，光催化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，光催化國(guó)際市場(chǎng)的現(xiàn)狀分析和展望及光催化標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化合作幾個(gè)方面進(jìn)行了交流。

5月25日上午大會(huì)論壇開幕。開幕式由中國(guó)感光學(xué)會(huì)光催化專業(yè)委員會(huì)趙震聲主任主持。無(wú)錫市濱湖區(qū)人民政府戴泉副區(qū)長(zhǎng)為大會(huì)致開幕詞，首先戴副區(qū)長(zhǎng)代表無(wú)錫市濱湖區(qū)人民政府向大會(huì)的召開表示熱烈的祝賀。戴區(qū)長(zhǎng)的致辭中提出，當(dāng)前國(guó)際上對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)十分重視，環(huán)境友好材料的技術(shù)發(fā)展得到了各國(guó)的關(guān)注，我們各個(gè)地方政府的每項(xiàng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展工作都要以保護(hù)環(huán)境生態(tài)為前提。光催化材料具有對(duì)環(huán)境友好的特性，因此本次大會(huì)圍繞光催化材料研究領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域、標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化領(lǐng)域進(jìn)行探討和交流，正切合科技與環(huán)保的結(jié)合的宗旨，非常適宜當(dāng)前人類發(fā)展、社會(huì)發(fā)展的需要。戴區(qū)長(zhǎng)還簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前無(wú)錫濱湖區(qū)科技發(fā)面發(fā)展的情況，提出希望通過(guò)這次大會(huì)能為無(wú)錫市濱湖區(qū)正在發(fā)展中的環(huán)保新材料產(chǎn)業(yè)起到促進(jìn)作用，并同時(shí)盛情邀請(qǐng)?jiān)谧墓獯呋袠I(yè)的各位科技專家來(lái)無(wú)錫、來(lái)濱湖區(qū)搞聯(lián)合搞創(chuàng)新。接下來(lái)，由國(guó)家科技部國(guó)際合作司亞非處姜小平處長(zhǎng)為大會(huì)致辭，姜小平處長(zhǎng)簡(jiǎn)單介紹了中國(guó)科技部國(guó)際合作司亞非處的工作職能并指出了一些已經(jīng)受到政府支持的與光催化相關(guān)的國(guó)際科技合作基金項(xiàng)目，并表示政府相關(guān)部門會(huì)大力支持科研研究及國(guó)際合作項(xiàng)目，與大家共同解決遇到的大量關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸問(wèn)題，特別是共同的環(huán)境問(wèn)題。最后我國(guó)(ISO/TC206)歸口單位，全國(guó)工業(yè)陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)吳萍秘書長(zhǎng)從標(biāo)準(zhǔn)的角度為大家介紹了ISO/TC206的工作情況，并介紹了我國(guó)光催化ISO工作的情況，并希望通過(guò)這個(gè)這次會(huì)議，提高我國(guó)各機(jī)構(gòu)對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作的支持和重視，同時(shí)也希望能促進(jìn)ISO光催化標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)發(fā)展及國(guó)際合作工作，共同推進(jìn)光催化行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程！領(lǐng)導(dǎo)們的發(fā)言和鼓勵(lì)得到了與會(huì)全體參會(huì)人員的熱烈掌聲。

應(yīng)邀出席本次大會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)和行業(yè)知名學(xué)者有：中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量部周麗瑋處長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所產(chǎn)業(yè)處鞠維剛處長(zhǎng)，中國(guó)感光學(xué)會(huì)光催化專業(yè)委員會(huì)趙震聲主任、無(wú)錫市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)王友根主席，無(wú)錫市濱湖區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)與浩主席，無(wú)錫市濱湖區(qū)科技局華兆哲局長(zhǎng)，清華大學(xué)朱永法教授、大連理工大學(xué)全燮教授、上海師范大學(xué)李和興教授、黑龍江大學(xué)付宏剛教授，安徽科技學(xué)院陳士夫教授，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所只金芳研究員、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所王文中研究員；出席本次大會(huì)的國(guó)外特邀專家有：日本ISO/TC206 Koji Takeuchi教授、Tsutomu Hirakawa教授，韓國(guó)ISO/TC206 Tai Kyu Lee教授、Wonyong Choi教授、韓國(guó)西江大學(xué)Young Soo Kang教授。

本次大會(huì)共有來(lái)自光催化行業(yè)的學(xué)者、教授、工程技術(shù)人員、高層管理者近80余名代表，主要來(lái)自國(guó)內(nèi)光催化領(lǐng)域的50多家科研單位、高校和生產(chǎn)企業(yè)。大會(huì)論壇共計(jì)兩天分4場(chǎng)進(jìn)行，與會(huì)代表共計(jì)聽取了27個(gè)專題報(bào)告。報(bào)告分別從不同角度展示了我國(guó)光催化研究領(lǐng)域、標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域、市場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)等方面的進(jìn)展和成果。各位專家的精彩報(bào)告得到了與會(huì)者的好評(píng).我國(guó)的光催化已經(jīng)有了良好的學(xué)術(shù)研究基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)體系不斷完善，產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)日趨活躍，行業(yè)內(nèi)部的合作也取得積極進(jìn)展，光催化材料的發(fā)展在中國(guó)蘊(yùn)藏著大的潛力。本次大會(huì)各方面的大力支持，從內(nèi)容、形式上受到與會(huì)代表的熱烈歡迎，參會(huì)者都分享到不同的收獲和信心，并通過(guò)分享和交流各國(guó)專家多年的學(xué)術(shù)前沿成果，將進(jìn)一步促進(jìn)光催化在節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)光催化產(chǎn)業(yè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略、政策和規(guī)則的制定產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。同時(shí)通過(guò)本次會(huì)議，中-日-韓國(guó)際合作交流將更加深入，友誼將更加深厚和持久！

第四篇：光催化分解水材料研究總結(jié)全解

光催化分解水材料研究總結(jié)

班級(jí)：xxxxx 學(xué)號(hào)：xxxxx 姓名：xxx 一·研究小組簡(jiǎn)介 彭紹琴：1985年畢業(yè)于南昌大學(xué)（原江西大學(xué)）無(wú)機(jī)化學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位。1993,2-1994，6北京大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者；1999年7月研究生畢業(yè)于南昌大學(xué)物理化學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)碩士學(xué)位；2005年7月研究生畢業(yè)于南昌大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。目前是江西省高校骨干教師，南昌大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)，長(zhǎng)期從事無(wú)機(jī)化學(xué)、材料化學(xué)的教學(xué)和科研工作。在無(wú)機(jī)功能材料、納米材料、光催化領(lǐng)域有較長(zhǎng)時(shí)間的工作積累，在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文30余篇。參與完成國(guó)家自然科學(xué)基金和“973”項(xiàng)目2項(xiàng)，主持和完成江西省自然科學(xué)基金各1項(xiàng)。主持和完成江西省教育廳項(xiàng)目各1項(xiàng)。

上官文峰：日本國(guó)立長(zhǎng)崎大學(xué)工學(xué)博士，原日本國(guó)工業(yè)技術(shù)院科學(xué)技術(shù)特別研究員，曾先后任北京大學(xué)、東京大學(xué)高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者。現(xiàn)任上海交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院燃燒與環(huán)境技術(shù)研究中心副主任。主要從事環(huán)境催化與材料、光催化、太陽(yáng)能制氫、燃燒排放及柴油機(jī)尾氣催化凈化、納米材料制備及其功能開發(fā)等領(lǐng)域的研究。主要負(fù)責(zé)承擔(dān)了國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市重點(diǎn)發(fā)展基金、海外合作等項(xiàng)目。在Chem Commun, J Phys Chem B, Appl Catal A & B,《科學(xué)通報(bào)》等國(guó)際國(guó)內(nèi)權(quán)威期刊上發(fā)表了一系列學(xué)術(shù)論文，取得日本國(guó)發(fā)明專利 4 項(xiàng)，并獲日本政府 “注目發(fā)明”獎(jiǎng) 1 項(xiàng)。獲國(guó)家發(fā)明專利 10 余項(xiàng)，獲省部級(jí)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng) 2 項(xiàng)。教育部“跨世紀(jì)優(yōu)秀人才”培養(yǎng)計(jì)劃入選者，中國(guó)化學(xué)會(huì)催化專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)氫能專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)儀表材料學(xué)會(huì)理事，973計(jì)劃“太陽(yáng)能規(guī)模制氫的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目專家組成員，《環(huán)境污染與防治》雜志編委，亞太納米科技論壇ISNEPP2006、2007學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。

李越湘：男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，南昌大學(xué)科技處副處長(zhǎng)。南昌大學(xué)材料物理與化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科光催化方向?qū)W術(shù)帶頭人，江西省高校中青年學(xué)科帶頭人，2004年獲江西省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)“江西青年科學(xué)家提名”稱號(hào)。現(xiàn)為中國(guó)太陽(yáng)學(xué)會(huì)氫能專業(yè)委員會(huì)委員,《功能材料》通訊編委。1984年大學(xué)本科畢業(yè)于江西大學(xué)化學(xué)系，獲學(xué)士學(xué)位；1996，10-1997，12國(guó)家公派到德國(guó)科隆大學(xué)（(Universitaet zu Koeln)）做訪問(wèn)學(xué)者，期間得到德國(guó)學(xué)術(shù)交流中心(DAAD)短期獎(jiǎng)學(xué)金資助；2002年研究生畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院研究生院（蘭州化學(xué)物理所），獲理學(xué)博士學(xué)位；2006年6月-11月國(guó)家公派到德國(guó)漢諾威大學(xué)(Leibniz Universitaet Hannover)做高級(jí)研究學(xué)者。長(zhǎng)期從事光催化、無(wú)機(jī)材料、環(huán)境化學(xué)等方向的研究，已在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了學(xué)術(shù)論文50余篇，其中18篇為SCI論文，4篇為EI。作為主要承擔(dān)者完成省科技廳攻關(guān)項(xiàng)目一項(xiàng)和多項(xiàng)橫向項(xiàng)目，主持和參與（排名第二）完成江西省自然科學(xué)基金各一項(xiàng)。目前承擔(dān)973計(jì)劃（國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃基礎(chǔ)研究項(xiàng)目）二級(jí)子項(xiàng)目和省自然科學(xué)基金項(xiàng)目各一項(xiàng)。

尚世通(1985一)：男，山東省成武縣人，東北電力大學(xué)碩士研究生，主要從事水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)研究工作。

宋華(1963-)：女，工學(xué)博士，教授、博導(dǎo)，現(xiàn)系大慶石油學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院副院長(zhǎng)，從事綠色化學(xué)及催化理論等方面的研究。

胡蕊(1985一)：女，陜西咸陽(yáng)人，西北大學(xué)在讀碩士研究生，師從樊君教授，從事光催化分解水制氫方面的研究。

田蒙奎（1978—）：男，貴州翁安縣人，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所和上海交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生，從事光觸媒材料及太陽(yáng)能光解水制氫的研究。

潘商峰(1983--)：男。河北滄縣人．在讀碩士，師承李越湘教授．從事光催化材料研究． 其他：煙臺(tái)大學(xué)教授徐愛琴、大慶石油學(xué)院化學(xué)學(xué)工學(xué)院教授李鋒、化工學(xué)院教授樊君、中國(guó)科學(xué)院教授田蒙奎、上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院燃燒與環(huán)境技術(shù)研究中心歐陽(yáng)自遠(yuǎn)、揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院張偉，沈發(fā)治，杜彬、中國(guó)科學(xué)院潘高峰、湘潭大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱啟安，王樹峰，王先友，宋方平，陳萬(wàn)平等（以上研究人員排名不分前后）。

二．研究?jī)?nèi)容概括 2.1概述：

煤和石油等化石燃料消耗量的日益增加。其儲(chǔ)量日益減少．終有一天這些資源將會(huì)枯竭。這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲(chǔ)量豐富的新型能源。氫能正是人們所期待的這種二次能源之一。

氫是自然界存在最廣泛的元素。大量存在于水中．據(jù)統(tǒng)計(jì)它構(gòu)成了宇宙的75％。氫作為能源有以下特點(diǎn)：(1)發(fā)熱值很高，是汽油的3倍；(2)易儲(chǔ)運(yùn)，適應(yīng)各種環(huán)境的要求；(3)本身無(wú)毒，且燃燒時(shí)只產(chǎn)生水，沒有其他污染。以方便而廉價(jià)的方法制備氫成為能源和環(huán)境工作者夢(mèng)寐以求的愿望。

太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的能源。1972年。El本學(xué)者Fujishima和Honda對(duì)光照Ti02電極導(dǎo)致水分解產(chǎn)生氫的發(fā)現(xiàn)，揭示了太陽(yáng)能制氫的可能性。目前。利用太陽(yáng)能光解制氫的研究主要集中于光電化學(xué)法和光催化法嘲，其中以半導(dǎo)體光解水制氫方法經(jīng)濟(jì)、清潔、實(shí)用，是一種比較有前途的方法。太陽(yáng)光譜中分布最強(qiáng)的成分集中在可見光區(qū)，因此設(shè)計(jì)在可見光區(qū)內(nèi)具有高量子產(chǎn)率的催化劑是充分利用太陽(yáng)能、降低光催化制氫成本的關(guān)鍵。本文主要介紹幾種具有可見光響應(yīng)的光催化劑在光解水制氫方面的應(yīng)用。

2.2光催化分解水制氫的原理：

水是一種非常穩(wěn)定的化合物。從水這一反應(yīng)物到氫氣和氧氣產(chǎn)物的變化．是一個(gè)自由能增大的非自發(fā)反應(yīng)過(guò)程。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下若要把l mol的水分解為氫氣和氧氣．則需237 kJ的能量。光催化反應(yīng)可以被分為2類。上坡反應(yīng)和下坡反應(yīng)，如圖1所示川。把水分解成氫氣和氧氣伴隨的是吉布斯自由能的增加(AGo=237 kJ／m01)，該反應(yīng)是一個(gè)上坡反應(yīng)．把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。而光催化降解有機(jī)物是一個(gè)下坡的反應(yīng)。是不可逆的。

圖2顯示了在光和半導(dǎo)體光催化劑(以Ti02為例)的共同作用下，上述反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

TiO：為N型半導(dǎo)體，有非常好的光穩(wěn)定性，因而在光催化劑的研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。Ti02的禁帶寬度為3．2 eV。能夠利用太陽(yáng)光中400 nm以下波長(zhǎng)的光。水的分解電解電壓為1．23 eV，加上超電位。最適宜的分解電壓為1．8 eV左右。當(dāng)它受到其能量相當(dāng)或高于該禁帶寬度的光輻照時(shí)．半導(dǎo)體內(nèi)的電子受激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。從而在導(dǎo)帶和價(jià)帶分別產(chǎn)生自由電子和電子空穴。水在這種電子一空穴對(duì)的作用下發(fā)生電離，生成H：和O：。由于存在電子和空穴再結(jié)合和光解水的效率取決于2個(gè)因素：(1)光生電子一空穴對(duì)的多少；(2)電子一空穴對(duì)與受體或給體的反應(yīng)速度要大于電子和空穴的復(fù)合速度。必須指出的是．并非所有的半導(dǎo)體都能夠分解水。除了其禁帶寬度要大于水的電解電壓(理論值1．23 eV)外，還有來(lái)自于電化學(xué)方面的要求，價(jià)帶和導(dǎo)帶的位置必須要分別同OJH：0和HJH：0的電極電位相適應(yīng)。具體地說(shuō)，半導(dǎo)體價(jià)帶的位置應(yīng)比O／H20的電位更正，而導(dǎo)帶的位置應(yīng)比H2／H20更負(fù)。圖3列出了一些半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和光解水所要求的位置關(guān)系嗍。

由于目前研究的大部分半導(dǎo)體催化劑具有比較寬的禁帶寬度．只能夠吸收紫外光。而太陽(yáng)光譜中分布最強(qiáng)的成分集中在可見光區(qū)，紫外光只占太陽(yáng)光中很小的部分。設(shè)計(jì)在可見光區(qū)內(nèi)具有高量子產(chǎn)率的催化劑是充分利用太陽(yáng)能、降低光催化制氫成本的關(guān)鍵。具有可見光響應(yīng)的催化劑必須有合適的能帶結(jié)構(gòu)。

三.具有可見光響應(yīng)的光催化劑

總的來(lái)說(shuō)．半導(dǎo)體的帶寬要大于分解水需要的最小帶寬。需要在半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間引入一個(gè)能級(jí)，使半導(dǎo)體的帶寬減小從而具有可見光響應(yīng)。近幾年．光催化分解水制氫的研究主要集中在利用可見光反應(yīng)體系的研究中．所報(bào)道的光催化劑大概有CdS，Bi2MNb07(M=AI，Ga，In，Y)，Pt／SrTi03：Cr，Sb，Pt／SrTi03：Cr，Ta，Pt／SrTi03：Rh等。

3.1 CdS光催化劑

CdS的帶隙寬度為2．4 eV．對(duì)可見光有很好的吸收。當(dāng)能量大于或等于禁帶寬度的光子被CdS吸收后，價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶，而空穴則留在價(jià)帶。e-cb和h+vb能夠把水分解成氫和氧。如下所示：

然而，下面的副反應(yīng)與第3步反應(yīng)同時(shí)存在：

這個(gè)副反應(yīng)使CdS發(fā)生光腐蝕．從而限制它的應(yīng)用。雖然硫化物作為光催化劑容易產(chǎn)生光腐蝕。但是在利用可見光的研究中仍是一個(gè)重要的切入點(diǎn)，而且光腐蝕的問(wèn)題可以通過(guò)加入犧牲劑來(lái)克服。

人們采取了許多措施來(lái)抑制光腐蝕的發(fā)生。CdS上擔(dān)載Pt可以有效的降低光腐蝕。Thewissen等將CdS上負(fù)載RuO2在可見光下將H2S分解成氫氣和S。Matsumara等報(bào)道了Pt／CdS懸浮在亞硫酸鈉溶液中。在可見光下高效制氫的同時(shí)能夠?qū)喠蛩岣x子氧化成硫酸根離子和連二硫酸根．產(chǎn)氫速率為0．61 mmol／h。CdS和其他化合物或金屬組成復(fù)合材料可以有效的減少電子和空穴的復(fù)合．從而提高光催化的效率。上官文峰等合成了具有層間復(fù)合結(jié)構(gòu)的CdS—KTiNb05，CdS—K2Ti3.9Nb0.109等納米復(fù)合材料，其光催化活性高于單一的Cds光催化劑。Takayuki Hirai等人研究了納米CdS—Ti02復(fù)合材料。在CdS納米粒子表面浸漬巰基乙酸(MAA)可以從2一丙醇水溶液中光催化制氫。量子產(chǎn)率較高。這可能是由于CdS被激發(fā)了的電子注入到TiO：空的導(dǎo)帶中(圖4)，從而增加了電子和空穴的有效分離，提高了光催化效率。

3.2過(guò)渡金屬摻雜的光催化劑

適當(dāng)?shù)碾x子摻雜可以在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間引入雜質(zhì)能級(jí)，從而使帶寬變小。離子摻雜的光催化劑引起研究者比較廣泛的關(guān)注。由銻或鉭與鉻共摻雜的SrTiO3，在可見光(A>420 nm)下具有從甲醇水溶液中制氫的活性．產(chǎn)氫速率分別達(dá)到了0．078和0．07 mmol。Cr3+形成的施主能級(jí)位于半導(dǎo)體禁帶中。從而使光催化劑具有可見光響應(yīng)；而Sb“或Ta“能夠維持體系的電荷平衡，抑制Cr6+，和氧缺陷的形成。Rh摻雜的SrTiO，在甲醇水溶液中產(chǎn)氫的量子產(chǎn)率為5．2％(420 nm)?？梢姽獾捻憫?yīng)是由于電子從Rh形成的施主能級(jí)躍遷到Ti3d材軌道形成的導(dǎo)帶。

3.3具有連續(xù)價(jià)帶的光催化劑

利用O2p軌道與其他軌道雜化形成連續(xù)能級(jí)的價(jià)帶有利于光催化活性的提高。BiVO4。和AgNbO3，等催化劑在可見光下都具有較好的活性。BiVO4和AgNbO3對(duì)分解4一壬基苯氧基乙酸也有比較好的活性。BiV04的合成是把K3V50l4。與Bi(N03)3·5H20水溶液在室溫下攪拌。采用液相法合成的BiVO4。活性高于傳統(tǒng)固相法合成的BiV04。這類催化劑對(duì)可見光的吸收是帶一帶躍遷引起的。由于Bi6l和Ag4d軌道與02p軌道耦合，使得半導(dǎo)體價(jià)帶的位置提高，降低了帶隙寬度。

3.4 Z型光催化制氫體系

Sayama等人最早報(bào)道了以W03和Fe3+／Fe2+組成的2步激發(fā)光催化分解水制氫懸浮體系的研究結(jié)果。該體系的作用機(jī)理類似于光合作用的“Z”模型。故稱Z型光催化劑，F(xiàn)e2+“吸收光產(chǎn)生的Fe2+“和H+作用放出氫，生成的Fe3+“則被光激發(fā)WO3，產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子還原為Fe2+“，而光激發(fā)產(chǎn)生的價(jià)帶空穴則把水氧化成氧，如圖5所示。Akihiko Kudo及其合作者將Pt／SrTi03：Rh與BiV04，Bi2M006等作為光催化劑．Fe2+/Fe3+為電荷傳遞體。建立了具有可見光響應(yīng)的Z型反應(yīng)體系。在440 nm的量子產(chǎn)率達(dá)到了0．3％．把可見光拓展到了520 nm。

四.提高光催化劑性能的途徑

某些光催化劑在催化制氫的過(guò)程中存在電子一空穴復(fù)合快、光譜利用范圍窄，光量子效率低等問(wèn)題，使其實(shí)際應(yīng)用受到了限制。為了提高光催化劑光量子效率，人們開始轉(zhuǎn)向?qū)獯呋瘎┻M(jìn)行改性。目前，主要的改性方法有貴金屬沉積法、離子摻雜法、染料光敏化法等。本文主要介紹了光催化劑納米化、離子摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合。

4.1光催化劑納米化

納米微粒由于尺寸小，表面所占的體積分?jǐn)?shù)大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全等，導(dǎo)致表面的活性位置增加，這就使它具備了作為催化劑的基本條件。納米半導(dǎo)體比常規(guī)半導(dǎo)體光催化活性高得多，原因在于量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)變成分立能級(jí)，能隙變寬，導(dǎo)帶電位變得更負(fù)，而價(jià)帶電位變得更正，這意味著納米半導(dǎo)體粒子具有更強(qiáng)的氧化或還原能力。Zhou等【12】采用水熱法合成納米Sr2Ta20，其表現(xiàn)出較高的光催化活性。主要是因?yàn)槠渚哂休^大的表面積和納米結(jié)構(gòu)。

4.2離子摻雜

離子的摻雜產(chǎn)生離子缺陷，可以成為載流子的獲阱，延長(zhǎng)其壽命。相對(duì)于金屬離子摻雜，非金屬離子摻雜光催化劑的研究較少。Yuan等121制備了高比表面積的N負(fù)載TiO：光催化劑，其光譜響應(yīng)范圍擴(kuò)展至600 rim。N在Ti02中以分子N2的化學(xué)吸附取代基N兩種形態(tài)共存，它們都加強(qiáng)了可見光的效應(yīng)，使N—TiO：具有較高的光催化制氧活性。Di等閻和Yamada等1231的研究證實(shí)N、F共摻雜Ti02可見光下的光催化活性高于單摻雜的Ti02。s、N共摻雜也可促使TiO：可見光響應(yīng)。Wei等1241發(fā)現(xiàn)s、N共摻雜可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使TiO：的光吸收帶邊紅移，且在可見光區(qū)呈現(xiàn)強(qiáng)吸收。

近來(lái)人們又進(jìn)行金屬離子，非金屬離子共摻雜的方法進(jìn)一步提高光催化劑的活性。Song等1251發(fā)現(xiàn)銅氮共摻雜TiO：在可見光區(qū)具有強(qiáng)吸收，光吸收帶邊紅移，而且其光催化活性高于單摻雜和不摻雜的TiO：。Lv等1261研究了鉍、碳和氮共摻雜的TiO：，發(fā)現(xiàn)共摻雜TiO：不但提高了電子和空穴的分離效率，而且增強(qiáng)了催化劑對(duì)光的吸收，光吸收帶邊紅移，光催化活性提高。

4.3半導(dǎo)體復(fù)合

近幾年，對(duì)半導(dǎo)體復(fù)合進(jìn)行了許多研究，復(fù)合半導(dǎo)體使吸收波長(zhǎng)大大紅移，催化活性提高，這可歸因于不同能級(jí)半導(dǎo)體問(wèn)光生載流子易于分離。此外，復(fù)合半導(dǎo)體的晶型結(jié)構(gòu)也使光催化活性得到提高。王艷華等1271在超聲條件下，采用溶膠凝膠法制備Zn(OH)：溶膠，然后在其上沉積沉淀CdS，制備cdS／Zn(OH)：催化劑前驅(qū)體。前驅(qū)體分別在空氣和氮?dú)庀卤簾?，制得兩種CdS／ZnO復(fù)合光催化劑。催化劑表征和分解水制氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種CdS／Z nO復(fù)合光催化劑在可見光區(qū)均有強(qiáng)吸收。

五．結(jié)語(yǔ)與展望

近10年來(lái)，雖然Ti02光催化研究取得長(zhǎng)足進(jìn)展。但目前仍然存在光催化反應(yīng)機(jī)理的研究不夠深人；不能有效利用可見光等等。通過(guò)摻雜的方法，可以拓展TiO：光催化劑對(duì)光的響應(yīng)，但催化效果并不理想，特別對(duì)于光解水制氫氣與氧氣體系。為了進(jìn)一步提高光解水催化劑的光催化活性，均需要在其表面負(fù)載Pt，Ru或NiO，并且需要在反應(yīng)體系中添加NazS，NaaSO，或CH，OH作為犧牲劑。尋找本身具有較高的氫生成活性中心的光催化劑，則無(wú)需負(fù)載Pt等貴金屬也可實(shí)現(xiàn)光解水制氫。同時(shí)，如何使?fàn)奚鼊┭h(huán)使用，甚至無(wú)須犧牲劑實(shí)現(xiàn)可見光的光解水，仍需要進(jìn)一步的研究。

在光催化制氫反應(yīng)體系方面。目前大多以淡水為研究對(duì)象。然而自然界中，淡水只約占全球水儲(chǔ)量的2．53％，可被人類直接利用的還不到1％，所以淡水是非常寶貴的資源。與此同時(shí)，地球上水資源的97．5％是海水．海水資源可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭的。所以，利用海水制氫有著重要的研究意義，這對(duì)于淡水資源和土地資源日益稀缺的我國(guó)來(lái)說(shuō)尤為重要。

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第五篇：納米復(fù)合材料光催化還原CO2轉(zhuǎn)化為甲醇

Cu-Mn-TiO2納米復(fù)合材料光催化還原CO2轉(zhuǎn)化為甲醇（翻譯文）

Manganese一and copper-doped titania nanocomposites for the photocatalytic reduction of carbon dioxide into methanol

P.L.Richardson , Marisa L.N.Perdigoto, W.Wang, Rodrigo J.G.Lopes

摘要：在這篇文章中,全面調(diào)查了商業(yè)和實(shí)驗(yàn)室光催化還原二氧化碳的基于催化劑表面的電子受體而摻雜錳、銅、錳、銅參雜的二氧化鈦已經(jīng)被準(zhǔn)備通過(guò)溶膠-凝膠法獲得不同的為二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲醇的納米復(fù)合材料。首先,XRD表征證明 錳和銅細(xì)分散在氧化鈦表面支持保護(hù)其晶體結(jié)構(gòu)。第二,透射電鏡二氧化鈦顆粒形態(tài)特征指出代表尺寸15450 nm)200 瓦和中期紫外線(280260 nm)用HgXe 燈500 瓦 光催化二氧化碳的轉(zhuǎn)換。鑒于曝光燈的波長(zhǎng)范圍,加上水泵冷卻系統(tǒng)是為了保持在室溫下反應(yīng)。除非另有規(guī)定,光致還原作用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了使用氙燈遠(yuǎn)紫外線(240260 nm)通常用于24小時(shí)反應(yīng)時(shí)間，之后,最終反應(yīng)產(chǎn)物離心分離。氣相色譜法(TCD/FID)表明,甲醇是光催化二氧化碳還原形成碳?xì)浠衔镏饕a(chǎn)物,空白實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證CO2轉(zhuǎn)換碳?xì)浠衔锏男纬?。在相同的?shí)驗(yàn)條件,在紫外光照射在缺乏催化劑下和另外一組在黑暗中光催化劑和二氧化碳進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，確保碳?xì)浠衔镌谏鲜龅膶?shí)驗(yàn)中沒有產(chǎn)生。

2?1 2 2.3分析技術(shù)

產(chǎn)品和反應(yīng)中間體通過(guò)氣相色譜法分析量化(日本島津公司)配有熱導(dǎo)檢測(cè)器(GC-8A)13X-S分子篩的使用包裝用聚乙二醇(peg650)已經(jīng)被用于執(zhí)行光學(xué)光譜測(cè)量分別使用D2和鹵素?zé)舨ㄩL(zhǎng)低于和高于335nm,。漫反射率的測(cè)量是通過(guò)完成積分球(JASCO ISV800 nm波長(zhǎng)的0.1 g的新的和已用過(guò)的催化劑。Kubelka-Munk函數(shù)被應(yīng)用于DRS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為吸收光譜,和Davis-Mott模型被用來(lái)估計(jì)實(shí)驗(yàn)室制備能帶(Eg)的催化劑。

3.結(jié)果

3.1 XRD表征

獲知新的和已用過(guò)的錳銅參雜二氧化鈦催化劑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一直是x射線衍射分析的手段。圖1 a和b分別顯示了新鮮的粉末x射線衍射模式和使用過(guò)的(24 h反應(yīng)時(shí)間)Mn0.22–Cu0.78/TiO2。可以看到,XRD衍射圖樣表現(xiàn)出峰值為40.3°和52.8°可以分配給鈦基體。事實(shí)上,XRD峰在24.9°,37.3°,48.7°和55.2°分別從(1 1 0),(1 0 3),(2 0 0)和(1 0 5)銳鈦礦相晶體氧化鈦衍射的。MnO2的特征衍射峰是 28.7°(1 1 0),37.4°(1 0 1),43.0°(1 1 1),56.8°(2 1 1)和64.9°(0 0 2)。衍射峰在2 = 29.5°,36.4°,42.3°,61.5°,74.0°和74.6°可以分別分配給(1 1 0),(1 1 1),(2 0 0),(2 2 0),(3 1 1)和(2 2 2)透明亞銅氧化物的晶面。新鮮和催化劑涂層用作薄膜的x射線衍射已經(jīng)證明裸露的TiO2和錳、銅摻雜二氧化鈦x射線衍射有輕微區(qū)別。

XRD衍射圖樣描繪圖1a和b表示二氧化鈦的晶相在煅燒允許獲得晶體納米材料溫度范圍為從300℃到520℃。在什么方面煅燒溫度的影響,進(jìn)一步顯示,它影響負(fù)的銳鈦礦和金紅石晶體相光催化劑 所以實(shí)驗(yàn)室制備更非晶態(tài)。事實(shí)上,從Mn0.22-Cu0.78 / TiO2納米復(fù)合材料得到的銳鈦礦和金紅石的比例73/27的衍射圖樣可以從圖1看到。原氧化鈦煅燒在相同的溫度新的和已用過(guò)的圖樣衍射都大大不同的。因此,煅燒溫度高于520℃在25.1°(1 0 1),27.3°(1 1 0),36.5°(1 0 1),48.4°(2 0 0),54.1°(2 1 1)和69.2°(2 2 0)產(chǎn)生衍射峰。如果一個(gè)進(jìn)一步提高煅燒溫度,銳鈦礦相(1 0 1)成為非晶和金紅石相(1 1 0)轉(zhuǎn)換成密集的晶體。3.2 TEM形態(tài)表征

Mn0.22–Cu0.78/TiO2光催化劑的TEM圖如圖2所示為新的(a)和已使用的(b)二氧化鈦的錳銅參雜樣品。可以看到,這些圖像表示的存在 < 55納米催化劑顆粒大小的二氧化鈦基體。這個(gè)事實(shí)已經(jīng)證實(shí)了謝勒模型,粒子大小通過(guò)溶膠-凝膠法獲得匹配透射電子顯微鏡地圖描繪的圖2 a和b。根據(jù)這些模式,在Mn0.22-Cu0.78 / TiO2的顆粒直徑20納米到35納米之間展示準(zhǔn)均質(zhì)的大小和形狀的。此外,錳和銅總量是均勻分布在氧化鈦基底的表面。正如所料,錳和銅集群已經(jīng)沉積在二氧化鈦基體結(jié)構(gòu)的表面，主要是由于添加金屬摻雜物在光催化劑的制備中，一旦鈦的水解制備醚那就是徹底地。

以促進(jìn)光催化還原二氧化碳的,典型的二氧化鈦粒徑范圍從15到25nm。這一事實(shí)使人避免電子空穴對(duì)的表面復(fù)合成為相關(guān)與粒徑直徑范圍在1360nm范圍表現(xiàn)出最大吸收強(qiáng)度。根據(jù)表1,TiO2(P25)和Mn / TiO2均獲得較高的能滯帶分別是3.48和3.24 eV;而實(shí)驗(yàn)室制造的催化劑包括Cu/TiO2, Mn0.22–Cu0.78/TiO2, Mn0.51–Cu0.49/TiO2, Mn0.76–Cu0.24/TiO2展現(xiàn)出低于3 eV的能滯帶,除了最后一個(gè)。應(yīng)該記住鈦氧化物的晶體結(jié)構(gòu)可能決定能滯帶,通過(guò)溶膠-凝膠法也可以與二氧化鈦催化劑形成多相異構(gòu)結(jié)構(gòu)。

3.6 光催化還原二氧化碳

錳參、銅參的二氧化鈦催化劑的催化活性表明能進(jìn)行甲醇生產(chǎn)。圖7顯示了商業(yè)的和實(shí)驗(yàn)室通過(guò)溶膠-凝膠法制備的光催化劑(0.5 g / L)產(chǎn)生甲醇產(chǎn)與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)

系。

可

以

看

到

h

反

應(yīng)

時(shí)

間Mn0.22–Cu0.78/TiO2, Mn0.51–Cu0.49/TiO2, Mn0.76–Cu0.24/TiO2, Cu/TiO2, Mn/TiO2,TiO2(P25)的甲醇產(chǎn)量分別為137.5,120.3,105.4,98.1,83.7,和 74.4mol/gcat。從這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),當(dāng)使用參雜了錳銅的二氧化鈦催化劑光催化還原即二氧化碳能有效提升產(chǎn)量。事實(shí)上,與商業(yè)樣品相比，所有Mn–Cu/TiO2催化劑達(dá)到更高的二氧化碳轉(zhuǎn)換。甚至與TiO2(P25)催化劑相比，Cu/TiO2顯示出優(yōu)越性能。24的輻照時(shí)間后,光催化甲醇產(chǎn)量增加顯著如下:238.6,203.8,186.4,172.0,159.8,和151.6mol/gcat。

實(shí)驗(yàn)室獲得的二氧化碳轉(zhuǎn)換催化劑與制備方法直接相關(guān),二氧化鈦基質(zhì)的光催化結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的金屬摻雜劑表現(xiàn)出不同的空間電荷的映射。銅總量的電子排布傾向于著名的費(fèi)米水平排列 所以金屬摻雜劑作為一個(gè)電子設(shè)陷阱捕捉器通過(guò)避免隨后的洞穴和電子復(fù)合。加上金屬錳,結(jié)果甚至提升是由于高能電子金屬摻雜物快速運(yùn)輸從而增加光催化還原二氧化碳甲醇。

以基準(zhǔn)光催化二氧化碳轉(zhuǎn)化,能量和量子效率計(jì)算了10 h后的紫外輻照甲醇的生產(chǎn)。記住能源效率是密切相關(guān)的電磁能量轉(zhuǎn)化為化學(xué),這相當(dāng)于甲醇燃燒熱量。表3顯示了

TiO2(P25), Mn/TiO2, Cu/TiO2, Mn0.22–Cu0.78/TiO2, Mn0.51–Cu0.49/TiO2, Mn0.76–Cu0.24/TiO2的能量(能量)和量子效率(量子), 可以知道Mn0.22–Cu0.78/TiO2樣品性能優(yōu)越的獲得分別為18.4和26.5%。

表三

參雜錳、銅的二氧化鈦催化劑10到24小時(shí)照射時(shí)間后,甲醇產(chǎn)量、能源效率(能量)、量子效率(量子)

圖8 a和b顯示了影響加載銅在10和24小時(shí)照射時(shí)間后二氧化碳的轉(zhuǎn)換,而圖9 a和b描繪了錳裝載在同一反應(yīng)時(shí)間的影響。從圖8 a和b可以看到,同樣10小時(shí)紫外線照射，銅加載 2.08%(w/w)時(shí)甲醇生產(chǎn)達(dá)到最大值190.1μmol/gcat，當(dāng)銅加載4%(w / w),下降到128.7μmol/gcat。進(jìn)一步增加 13 反應(yīng)時(shí)間達(dá)到24小時(shí),銅加載2.1%(w / w)時(shí)光催化產(chǎn)生的甲醇為232.0mol/gcat，銅加載 4%(w / w)減少到172.5μmol/gcat。此外,圖9 a和b表示,錳加載0.59%(w / w)時(shí)最大甲醇產(chǎn)量為188.9mol/gcat和10 h后紫外線照射時(shí)間逐步減少了添加更多的金屬摻雜劑表現(xiàn)出，當(dāng)錳加載最高(4%,w / w)的甲醇生產(chǎn)接近117.6μmol/gcat。24小時(shí)后，最后的對(duì)應(yīng)的錳加載的最大轉(zhuǎn)換甲醇產(chǎn)量獲得236.4μmol/gcat 0.59%(w / w),錳加載4%(w / w)后并逐漸減少到為155.5μmol/gcat。

圖8 a，b和9 a，b描述了 強(qiáng)調(diào)多余的銅和錳加載到催化劑表面的可以掩蓋了二氧化鈦基質(zhì)從而減少氧化鈦的光催化效率。簡(jiǎn)而言之,實(shí)驗(yàn)室證實(shí)錳和銅之間的最佳摩爾比,Mn0.22-Cu0.78 / TiO2試樣。同樣,光催化劑輸入到紫外反應(yīng)器的最優(yōu)化數(shù)量可相應(yīng)的以防止隱蔽和抑制紫外線輻射的紫外線被分散。

4.結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室利用溶膠-凝膠法參雜了錳、銅的二氧化鈦獲得的催化劑相對(duì)商業(yè)TiO2(P25)在二氧化碳的光致還原轉(zhuǎn)化為甲醇要好。XRD衍射圖樣揭示二氧化鈦(銳鈦礦和金紅石)-MnO2和Cu2O的納米復(fù)合材料擁有的特定的結(jié)晶相，能保證保存最初的二氧化鈦的結(jié)構(gòu)。TEM形態(tài)描述了錳和銅集群沉積二氧化鈦基質(zhì)表面 的存在，典型的晶粒大小< 55納米。這個(gè)事實(shí)，只要顆粒大小范圍從15到25nm，能使光催化還原二氧化碳的效率較優(yōu)越。商業(yè)催化劑均獲得較高的能滯帶，實(shí)驗(yàn)室制備是催化劑包括 Cu/TiO2, Mn0.22–Cu0.78/TiO2, Mn0.51–Cu0.49/TiO2, Mn0.76–Cu0.24/TiO2展現(xiàn)出3eV的能滯帶。從XPS譜 參雜了錳、銅的光催化劑的元素的摩爾比率與純錳、銅和鈦(2 p3/2,2 p1/2)有相同的結(jié)合能 ,它允許查詢納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。此外,從參雜了銅、錳的二氧化鈦試樣的DRS光譜獲知金屬摻雜物允許保護(hù)氧化鈦的光吸收能力。這里,錳和銅的耦合發(fā)現(xiàn)由于激發(fā)態(tài)電子的快速運(yùn)輸金屬摻雜物實(shí)現(xiàn)了提高光催化還原CO2轉(zhuǎn)化成甲醇。Mn0.22–Cu0.78/TiO2展現(xiàn)出較高的甲醇的出產(chǎn)量以及較高的量子和能源效率是由于通過(guò)加強(qiáng)金屬摻雜劑對(duì)電子陷阱捕捉,從而促進(jìn)光催化二氧化碳的轉(zhuǎn)換。

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