1、 张文凯张文凯A.1972A.1972年年FujishimaFujishima和和HondaHonda在在n-n-型半导体型半导体TiOTiO2 2电极上发现了水电极上发现了水 的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕。的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕。B.1976B.1976年年GareyGarey用用h Eg+-Conduction bandAadsAreducedAband gapValence bandDadsDDoxidizedsemiconductor particleOverall reaction: D+Ah PCDoxidized +Areduced 当半导体
2、粒径小于某一纳米尺寸时，导带和价带间的能隙变宽，光当半导体粒径小于某一纳米尺寸时，导带和价带间的能隙变宽，光生电子和空穴的能量增加，氧化还原能力增强生电子和空穴的能量增加，氧化还原能力增强 随着粒子尺寸减小到纳米级，光催化剂的比表面积大大增加，对底随着粒子尺寸减小到纳米级，光催化剂的比表面积大大增加，对底物的吸附能力增强物的吸附能力增强 粒径越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子和空穴粒径越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子和空穴的复合几率减小，光催化效率提高的复合几率减小，光催化效率提高 光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导
3、带之间的能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化之间的能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化性强）性强） 化学性质稳定化学性质稳定( (耐酸碱和光化学腐蚀耐酸碱和光化学腐蚀),),对生物无对生物无毒毒 在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜 原料来源丰富原料来源丰富纳米纳米TiO2TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂是当前最有应用潜力的光催化剂形态形态相对密度相对密度晶格类型晶格类型晶格常数晶格常数Ti-O距离距离/nm禁带宽度禁带宽度/eVac锐钛矿锐钛矿3.84正方晶系正方晶系 5.279.370.1953.2金红石金红石4.22正方晶系正方晶系 9
4、.055.80.1993板钛矿板钛矿4.13斜方晶系斜方晶系CB/CB/e e- - VB/VB/h h+ + CB/CB/e e- - VB/VB/h h+ + 3.2eV3.0eV0.2eV0.2eV锐钛矿相锐钛矿相金红石相金红石相制备方法制备方法优点优点不足不足溶胶溶胶-凝胶法凝胶法（sol-gel） 粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性好型，纯度高，热稳定性好前驱体为钛醇盐，成前驱体为钛醇盐，成本高本高水热合成法水热合成法晶粒完整，粒径小，分布均匀，晶粒完整，粒径小，分布均匀，原料要求不高，成本相对较低原料要求不高，成本相对较低反应条件为高温、高
5、反应条件为高温、高压，压，材质要求高材质要求高化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD） 粒径小，分散性好，分布窄，化粒径小，分散性好，分布窄，化学活性高，学活性高，可连续生产可连续生产 技术和材质要求高，技术和材质要求高，工艺复杂，投资大工艺复杂，投资大 微乳液法微乳液法可有效控制可有效控制TiO2纳米粉末的尺寸纳米粉末的尺寸易团聚易团聚 环保方面的应用环保方面的应用 卫生保健方面的应用卫生保健方面的应用 防结雾和自清洁涂层防结雾和自清洁涂层 光催化化学合成光催化化学合成 有机污染物的处理有机污染物的处理 无机污染物的处理无机污染物的处理 1. 光催化能够解决光催化能够解决Cr6+、Hg2+、P
6、b2+等重等重金属子的污染问题金属子的污染问题 2. 光催化还可分解转化其它无机污染物，如光催化还可分解转化其它无机污染物，如CN-、NO2-、H2S、 SO2, NOx等等 室内环境净化室内环境净化 有有机机物物 催催化化剂剂 光光源源 光光解解产产物物 烃烃 TiO2 紫紫外外 CO2 ，H2O 卤卤代代烃烃 TiO2 紫紫外外 HCl，CO2，H2O 羧羧酸酸 TiO2 紫紫外外，氙氙灯灯 CO，H2，烷烷烃烃，醇醇，酮酮，酸酸 表表面面活活性性剂剂 TiO2 日日光光灯灯 CO2，SO32- 染染料料 TiO2 紫紫外外 CO2，H2O，无无机机离离子子，中中间间物物 含含氮氮有有机机
7、物物 TiO2 紫紫外外 CO32-，NO32-，NH4+，PO43-，F- 等等 有有机机磷磷杀杀虫虫剂剂 TiO2 紫紫外外，太太阳阳光光 Cl-，PO43-，CO2 测试条件测试条件气体浓度气体浓度放入涂料板前放入涂料板前放入涂料板后放入涂料板后一天一天两天两天五天五天七天七天去除效率去除效率（%）氨气（氨气（mg/m3)1.931.930.600.600.320.320.220.220.180.189191甲醛（甲醛（mg/m3)0.900.900.430.430.210.210.130.130.070.079292苯（苯（mg/m3)0.860.860.640.640.250.250
8、.150.150.050.059494 灭杀细菌和病毒灭杀细菌和病毒 使某些致癌细胞失活使某些致癌细胞失活TiOTiO2 2薄膜薄膜有机污垢有机污垢无机污垢无机污垢CO2 H2O 有机合成有机合成 光催化不仅可分解破坏有机物，在适当条件下还能用光催化不仅可分解破坏有机物，在适当条件下还能用来合成一些有机物。如在非水溶剂中，苯乙烯光催化聚合来合成一些有机物。如在非水溶剂中，苯乙烯光催化聚合生成聚苯乙烯生成聚苯乙烯 无机反应无机反应 h h PCPC光致电子和空穴对的转移速度慢，复合率高，导致光光致电子和空穴对的转移速度慢，复合率高，导致光 催化量子效率低催化量子效率低只能用紫外光活化，太阳光利用
9、率低只能用紫外光活化，太阳光利用率低粉末状粉末状TiOTiO2 2在使用过程中存在分离、回收困难等问题在使用过程中存在分离、回收困难等问题Pte-h+h Eg AAreducedDDoxidized 20012001年年AsahiAsahi等日本学者报道了等日本学者报道了氮掺杂的氮掺杂的TiO2 ,TiO2 ,引起人们对阴离引起人们对阴离子掺杂光催化剂及其可见光响应子掺杂光催化剂及其可见光响应性能的广泛兴趣。性能的广泛兴趣。过渡金属离子的掺杂会在过渡金属离子的掺杂会在半导体晶格中半导体晶格中引入能捕获光致引入能捕获光致电子和空穴的缺陷；或改变结晶度，使激发光的波长红移电子和空穴的缺陷；或改变结晶度，使激发光的波长红移h S0 S1 TiO2色素或染料色素或染料ES1 ECB h S0 S1 TiO2色素或染料色素或染料ES1 ECB h CdSCdSh TiOTiO2 2CBVB+CBVBBB-AA+CBVBTiOTiO2 2SnO2+CBVBh h AA+TiO2
