光催化学科的前沿与发展趋势课件.ppt

1、光催化学科的前沿与发展趋势光催化学科是催化化学、光电化学、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。光催化分解水制氢光催化分解水制氢 H2O H2+O2 环境光催化环境光催化 C6H6+7 O2 6 CO2+3H2Ohvhv催化剂催化剂催化剂催化剂环境和能源是二十一世纪人类面临和环境和能源是二十一世纪人类面临和亟待解决的重大问题。光催化以其室亟待解决的重大问题。光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳光作为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能而成为一光源来驱动反应等独特性

2、能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。源生产技术。导带价带h=Eg还原氧化A_AD+D光光催催化化原原理理h光光解解水水原原理理导带价带光吸收激发电子生成空穴0.0eV1.23eVNHE(pH=0)H+/H2O2/H2Oh光催化技术在众多领域具有广阔的应用光催化技术在众多领域具有广阔的应用 前景和重大社会经济效益前景和重大社会经济效益光催化技术光催化技术空气、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光催化受到科学界、政府部门及企业界的光催化受到科学界

3、、政府部门及企业界的高度重视，投入了大量的资金和研究力量高度重视，投入了大量的资金和研究力量开展光催化基础理论、应用技术开发及工开展光催化基础理论、应用技术开发及工程化研究，使得光催化成为近年来国内外程化研究，使得光催化成为近年来国内外最活跃的研究领域之一。最活跃的研究领域之一。一、光催化领域的重大科技问题一、光催化领域的重大科技问题与学科发展趋势与学科发展趋势 1 1、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，而这些问题的解决则有应用受到极大

4、制约，而这些问题的解决则有赖于深入系统的基础研究。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。化分解水制氢的产业化。（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)决定了其只能决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐太阳光中紫外辐 射仅占射仅占5%)。（3）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

5、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。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。活性稳定性问题。上述关键问题也是目前国内外光催化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

6、开展进一领域的研究焦点，围绕这些问题开展进一步的研究不仅可望在光催化基础理论方面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，而且有利于促进光催化获得较大的突破，而且有利于促进光催化技术真正能在上述众多领域得到大规模广技术真正能在上述众多领域得到大规模广泛工业应用。泛工业应用。2 2、学科发展方向、学科发展方向 从理论和应用上解决可见光光催化和提高从理论和应用上解决可见光光催化和提高光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化学科的发展方向。学科的发展方向。前沿课题和研究重点：前沿课题和研究重点：（1）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制）可见

7、光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制 （能带调变，非（能带调变，非TiO2光催化剂）；光催化剂）；（2）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光 催化理论体系的探讨（原位表征和超快催化理论体系的探讨（原位表征和超快 时间分辨技时间分辨技 术研究光生载流子的迁移传输规律）；术研究光生载流子的迁移传输规律）；（3）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）；）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）；（4）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用 研究。研究。二、光催化领域的最新研究进展二、光催化

8、领域的最新研究进展 近年来，光催化的基础与应用研究近年来，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。研究等方面都取得了重要进展。1 1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得、可见光诱导的光催化剂研究方面取得 重大突破重大突破 采用固相合成、过渡金属离子和非金采用固相合成、过渡金属离子和非金属离子掺杂、金属属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、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

9、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，催化材料，这些材料在可见光的照射下，能将能将H2O分解为分解为H2和和O2，或能有效降解空，或能有效降解空气、水中的有机和无机污染物。气、水中的有机和无机污染物。Zhigang Zou等采用高温固相合成法，制备出可见光活性的等采用高温固相合成法，制备出可见光活性的In1-xNixTaO4催化剂并应用于光解水制氢催化剂并应用于光解水制氢1、随后又研制出、随后又研制出InVO4 2、NiM2O6(M=Nb,Ta)3等系列可见光活性的光解水等系列可见光活性的

10、光解水催化剂。（催化剂。（Nature，2001)Michikazu Hara等通过氮化等通过氮化Ta2O5合成出窄禁带宽度的半导合成出窄禁带宽度的半导体体TaON和和Ta3N5（2.5eV和和2.1eV），使其光吸收带边分别拓），使其光吸收带边分别拓展到展到500nm和和600nm左右，从而具备可见光光催化性能左右，从而具备可见光光催化性能4。Masato Takeuchi等等5采用离子注入法制备采用离子注入法制备Cr掺杂的掺杂的TiO2，光吸收带发生红移，可以在可见光下把光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为分解为N2和和O2。R.Asahi等等6采用采用N置换式掺杂得到的置换式掺杂

11、得到的TiO2-xNx在可见光条件在可见光条件下对亚甲基蓝和气态乙醛的光催化活性以及负载型下对亚甲基蓝和气态乙醛的光催化活性以及负载型TiO2-xNx薄膜的亲水性都高于薄膜的亲水性都高于TiO2。（。（Science，2001）赵进才等人赵进才等人7用用-环糊精和有生物活性的小分子环糊精和有生物活性的小分子血晶素合成了一种金属血晶素合成了一种金属-有机络合物（有机络合物（CDH），该），该络合物在可见光下可以活化络合物在可见光下可以活化H2O2，把水中的若丹，把水中的若丹明明B（RhB）和）和2，4-二氯苯酚（二氯苯酚（DCP）等有机污）等有机污染物氧化和矿化。染物氧化和矿化。最近，李灿等人采

12、用水热合成制备出具有可见光最近，李灿等人采用水热合成制备出具有可见光活性的光解水活性的光解水ZnIn2S4新型催化剂新型催化剂8。0244872961201440.00.40.81.21.62.02.4 6th run5th run4th run3rd run2nd run1st run150freshsolutionfreshsolutionfreshsolutionevca.evca.evca.evca.evca.evca.Amount of H2/mmolTime/hour硫化物硫化物ZnInZnIn2 2S S4 4上可见光催化分解水制氢上可见光催化分解水制氢Zhibin Lei an

13、d Can Li et al,Chem.Commun.,2003,2142.2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题，为解决多相光催化过程效率偏低的问题，近年来从提高催化剂自身的量子效率和改近年来从提高催化剂自身的量子效率和改进反应过程条件两个方面开展了大量的研进反应过程条件两个方面开展了大量的研究工作，取得了重要进展。究工作，取得了重要进展。采用离子掺杂采用离子掺杂10-12、半导体复合、半导体复合13-14、纳米晶粒、纳米晶粒制备制备15-16、超强酸化、超强酸化17-19等方法，提高光生载流等方法，提高光生载流子的分离效率和抑制电子子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一空穴的重新复合

14、，在一定程度上改善了光催化剂的量子效率。定程度上改善了光催化剂的量子效率。值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场20-21、磁场、磁场22、超声波、超声波23、热场、热场24等）与光催化等）与光催化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有益耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有益的探索。的探索。3 3、光催化材料超亲水性的发现、光催化材料超亲水性的发现2525，开辟了光，开辟了光催化研究和应用的新领域（催化研究和应用的新领域（Nature,1997)Nature,1997)利用光催化膜的超亲水性和强氧化性等特性，利用光催化膜的超亲水性和强氧化性等

15、特性，研制开发出一系列光催化功能材料，如光催化自研制开发出一系列光催化功能材料，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。这些功能材料已开始在建筑材料领环保涂料等。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础研域应用。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究也有大量的文献报道26-28。三、我国光催化学科的发展现状三、我国光催化学科的发展现状与与 发展方向发展方向1 1、发展现状、发展现状 九十年代中期以来，国家自然科学基金委、国九十年代中期以来，国家自然科学基金委、国 家计委和国家科技部

16、等部门加大了对我国光催化基家计委和国家科技部等部门加大了对我国光催化基 础和应用研究的支持力度，组织实施了包括国家自础和应用研究的支持力度，组织实施了包括国家自 然科学基金重点项目和国家高技术产业发展项目在然科学基金重点项目和国家高技术产业发展项目在 内的一批科研项目，使得近年来我国光催化基础研内的一批科研项目，使得近年来我国光催化基础研 究、应用研究及产业化发展十分迅速。究、应用研究及产业化发展十分迅速。研究队伍急剧扩大，多学科交叉特色显著研究队伍急剧扩大，多学科交叉特色显著 最近几年，由于国际上光催化分解水研究的最近几年，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起，我国许多高

17、等复苏，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、半展了光催化研究工作。催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等诸多学科的科导体物理、材料科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。研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。光催化研究主要地区分布光催化研究主要地区分布全国光催化会议论文和人数变化情况全国光催化会议论文和人数变化情况年 度人数或论文数研究内容与国际同步，研究水平不断提高研究内容与国际同步，研究水平不断提高-从基础研究到应用研究涵盖了光催化领域

18、的各个从基础研究到应用研究涵盖了光催化领域的各个 方面。方面。-一批在日本、美国、加拿大、法国等国家从事光一批在日本、美国、加拿大、法国等国家从事光 催化研究的留学人员的陆续回国。催化研究的留学人员的陆续回国。-取得了一批重要的基础研究成果，在国内外重要取得了一批重要的基础研究成果，在国内外重要 学术刊物上发表了大量高水平论文，论文数量估学术刊物上发表了大量高水平论文，论文数量估 计每年以计每年以30%的速度增长，据不完全统计的速度增长，据不完全统计2002年年 达到百篇以上。达到百篇以上。-经过近七、八年的快速发展，我国光催化领域的经过近七、八年的快速发展，我国光催化领域的 整体研究力量、研

19、究条件和研究水平已基本上接整体研究力量、研究条件和研究水平已基本上接 近国际水平，与日本、美国和欧洲等国家的差距近国际水平，与日本、美国和欧洲等国家的差距 已经明显缩小。已经明显缩小。取得了一批具有自主知识产权的应用研究取得了一批具有自主知识产权的应用研究成果，为我国光催化高新技术产业群的形成果，为我国光催化高新技术产业群的形成奠定了坚实的基础，并带动了相关产业成奠定了坚实的基础，并带动了相关产业的技术进步。的技术进步。固体超强酸高效光催化剂的产业化固体超强酸高效光催化剂的产业化 固体超强酸光催化剂生产车间固体超强酸光催化剂生产车间生产的固体超强酸光催化剂及系列产品生产的固体超强酸光催化剂及系

20、列产品光催化空气净化器的产业化光催化空气净化器的产业化光催化空气净化器系列产品光催化空气净化器系列产品 KJ680-LGSKJ680-LGS光催化自清洁抗菌瓷砖的产业化光催化自清洁抗菌瓷砖的产业化 鉴于本项目的开创性和显著的社会经济效鉴于本项目的开创性和显著的社会经济效 益，国家计委授予本项目益，国家计委授予本项目我国光催化研究存在的主要问题：我国光催化研究存在的主要问题：（1）基础研究基础研究：系统的、有重大影响的基础研究论文：系统的、有重大影响的基础研究论文 较少。较少。（2）应用研究应用研究：有自主知识产权的应用研究成果较：有自主知识产权的应用研究成果较 少、工程化研究相对滞后。少、工程

21、化研究相对滞后。（3）研究队伍研究队伍：有物理化学背景的研究人员少；开展：有物理化学背景的研究人员少；开展 光催化分解水的研究队伍小，发展后光催化分解水的研究队伍小，发展后 劲不足。劲不足。（4）研究经费研究经费：基础研究经费投入少，特别是光催化：基础研究经费投入少，特别是光催化 分解水方面的基础研究经费极少。分解水方面的基础研究经费极少。从上面的分析可以看出，我国的光催化研从上面的分析可以看出，我国的光催化研究整体上已经进入快速发展期，已成为国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我国对

22、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用研究的支持力度，促进光催化学科的发展是十分必要的。展是十分必要的。2 2、发展方向、发展方向 根据目前我国光催化研究现状和国际根据目前我国光催化研究现状和国际光催化学科的发展趋势，建议国家自然科光催化学科的发展趋势，建议国家自然科学基金委重点支持如下方向的基础研究：学基金委重点支持如下方向的基础研究：深入的多相光催化反应机理研究；深入的多相光催化反应机理研究；基于分子水平的光催化理论体系的探讨；基于分子水平的光催化理论体系的探讨；可见光诱导的新型高效光催化

23、剂的研究；可见光诱导的新型高效光催化剂的研究；光催化在环境污染治理、光解水制氢和光催化膜光催化在环境污染治理、光解水制氢和光催化膜功能材料等领域的应用基础研究。功能材料等领域的应用基础研究。谢谢福州大学光催化研究所福州大学光催化研究所eh+H2O+e H2+OH-H2O+h+O2+H+eh+h VBCB红外辐射红外辐射,电子态、晶格振动态电子态、晶格振动态之间跃迁衰变过程的信息之间跃迁衰变过程的信息 荧光辐射，激发态电子和空荧光辐射，激发态电子和空穴之间复合的信息穴之间复合的信息 Ti3dCBO2pUVVB通过掺杂阳离子调变禁带宽度通过掺杂阳离子调变禁带宽度NHEH+/H2O2/OH-CBVBh+e-UVCr3dVisVisTi Cr,In