半导体光催化

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1、HUNANUNIVERSITY论文题目：半导体光催化学生姓名：周佳丽学生学号：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：晁自胜学院院长：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3三、半导体光催化剂8四、光催化技术的应用10光催化制氢10废水处理10空气净化11饮用水处理11自清洁涂层12抗菌作用12五、半导体光催化技术的存在的问题及研究进展12六、结语16参考文献16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

2、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

3、．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。一、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415nm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

4、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

5、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。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、α-Fe2O3、ZnS、CdS、WO3、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

6、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+2.53V，还可在水中形成还原电位都比臭氧正的羟基自由基（·OH）.同时光生电子也有很强的还原性（氧化还原电位为-0.52V），可以把氧分子还原成超氧负离子（O2-），水分子岐化为过氧化氢（H2O2）。所以TiO2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

7、生电子(e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。光生电子一空穴的复合是在小于10-9S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一)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

8、发光的化学反应如下：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HO2和02反应，形成O2-称活性很强的自由基H2O2、·0H、OH一和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