几种光催化材料形貌控制与催化特性研究

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1、几种光催化材料形貌控制与催化特性研究1绪论1.1引言现代工业的飞速发展给人们的生活带来了很多便利，促进了人类文明的繁荣发展。但是，随之而来的环境污染、能源短缺等问题也日益严重，例如：有毒有害的污染物在水体、土壤、空气等环境中不断地积蓄、迁移和转化，严重破坏了生态平衡，同时也危害着人类的生命和健康；经济发展需要消耗大量的能源，引发了新的能源危机，而开采和大量使用传统矿石能源本身就会引发严重的环境问题。能源危机和环境问题是20世纪以来人类所面临的最严重的问题，特别是有毒难降解有机污染物(例如齒代物、染料、农药等)引起

2、的环境问题，已经成为影响人类生存和健康的重大问题。通过光催化技术直接利用太阳能，降解这些有机污染物是有望解决这两大难题的极为友好的途径。光催化技术可以将低捧度的太阳光能转化为高密度的化学能和电能，可以直接利用太阳光降解和矿化水体与空气中的各类污染物，并且能够实现光解水制氢，在环境净化和新能源开发方面表现出广阔的发展前景，已成为目前广大科研工最为活跃的研究方向之一早在1930年人们就已发现Ti02可以使染料褪色和粉化。随后,Plotnikoxv[7]最先对光催化的概念进行了定义，并对光催化过程中每一个化学反应步骤进

3、行了命名。1972年，Fujishima和Honda在Nature杂志上报道了利用n型半导体Ti02电极在紫外光照射下分解水制备氣气和氧气的论文,标志着光催化时代的开始。自此科学家们在半导体光催化的性质及应用方面进行了大量的研究，发现其不仅可以解决全球的能源紧缺，还可以应用于催化降解有机污染物以解决环境问题[9]。在1976年，Carey等人[10]报道了利用二氧化钛作为光催化剂，光催化降解水中污染物多氯联苯脱氯方面的工作进展，开辟了光催化技术在环保领域的应用前景。随后，更多的科学和工程研究者纷纷加入到此研究行列

4、，掀起了世界范围的光催化研究热潮。1.2光催化简介1972年，Fujishima和Honda发现TiOj电极在紫外光照射下能够分解水制氧，引发了利用太阳能直接从水中获得氛气的研究热潮。这意味着能够利用太阳光从水中获得氧气，氧气又可作为能源燃料，其燃烧产物是水，水以最清洁环保的形态回到自然生态循环中，且在整个过程中不需要消耗任何化学试剂，是一种完全的可持续开发的能源利用途径。高效光催化剂及分解水制氣机理是光解水制氣的关键问题。要分解水放出氣气，热力学要求作为光催化材料的半导体材料的导带电位比氧电极电位HVH2稍负，

5、而价带电位则应比氧电极电位O2/H2O稍正。目前已经研究过的能够实际光解水制氣的半导体光催化剂包括：二氧化铁和铁酸盐;氧化钽和钽酸盐；氧化钢和钢酸盐；某些主族金属氧化物如Ga203、InjOs及其酸式盐；某些过渡金属氧化物如轨、鹤、银的氧化物及其酸式盐、金属硫化物如CdS等[20]。1977年，美国科学家Frank等[15]首次报道了用氣灯作光源，用TiCb粉末光催化降解含和8032的溶液，研究发现TiOz能有效催化氧化和S032。这一具有划时代意义的工作首次提出了难降解污染物治理的新技术，由此开辟了光催化技术在

6、环保领域的潜在应用前景，继而带来了污水治理的技术革命。如前所述，半导体光催化剂在合适的光照射下，首先形成光生电子-空穴对和轻基自由基等一系列具有强氧化性和还原性的物种，这些物种与吸附其表面的物质发生氧化还原反应，对这些物质实现有效的分解，从而实现降解、消毒、脱色、除臭等。2PDDA-C1辅助合成富含高活性(001)晶面的Ti022.1引言作为一种重要的半导体材料，锐钛矿Ti02晶体的合成及其在光催化⑴、太阳能转换光子器件以及传感器等方面的应用得到了广泛研究。Ti02的性能不仅与其晶相、尺寸、形貌有关，还与其外露晶

7、面有关。对于锐铁矿Ti02而言，不同晶面的表面能顺序为(110)(1.09J/m2)>(001)(0.90J/m2)>(100)和(010)(0.53J/m2)>(101)(0.44J/m2)[68]。可见锐欽矿TiO:晶体的(001)晶面的表面能较高，因而表现出优异的光催化活性[6，8]。然而在晶体生长过程中，因体系表面能量最小化趋势而导致高表面能晶面很快消失，通常难以获得具有高表面能的晶面。（001)晶面的比表面能较高，所以在晶体成核和生长的过程中很_合成出暴露大量(001)晶面的锐铁矿Ti

8、02晶体[13]。对普通的锐钛矿Ti02来说，暴露最多的是热力学稳定的(101)晶面，通常可以占据整个晶体表面的94%以上[6]。因此，人们强烈期望控制合成出暴露大量高活性(001)晶面的锐饮矿Ti02晶体。2008年，Yang等[9]以TiF4为原料，HF为形貌控制剂，首次制备出具有丰富(001)晶面的锐铁矿Ti02晶体。从此，制备具有外露高能(001)面的锐铁矿Ti0