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复合半导体
半导体复合的目的在于促进体系光生空穴和电子的分离，以抑制它们的复合， 本质上可以看成是一种颗粒对另一种颗粒的修饰，其修饰方法包括简单的组合， 掺杂，多层结构和异相组合，插层复合等。
当不同半导体的导带和价 带分别相连时，若窄禁带 半导体的导带具有比TiO2 更低的电势时，则在可见 光激发时，光生电子向能 级更正的导带迁移，而光 生空穴迁向能级更负的价 带，从而实现光生电子和 空穴的分离。
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Photocatalysis of Dye-Sensitized TiO2 Nanoparticles with Thin Overcoat of Al2O3: Enhanced Activity for H2 Production and Dechlorination of CCl4
近年来，光催化技术在环保，卫生保健， 自洁净等方面的应用研究发展迅速，半导体光 催化成为国际上最活跃的研究领域之一。
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光催化机理
二氧化钛光解水制氢的反应历程
二氧化钛光催化剂吸收光子，形成电子空穴对
电荷分离并转移到表面的反应活性点上
在表面进行化学反应，从而析出氢气和氧气
什么是光催化
光催化剂（一般为半导体材料）再光（可见光或者紫外光）的照射下，通过把光 能转化为化学能，从而具有氧化还原能力，使化合物（有机物或无机物）被降解 的过程称为催化。
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什么是光催化
从光合作用这种最简单的光催化反应，总结一下光催化反应发生的三 个基本条件：
光生电子在Ag岛上富集，光生 空穴向TiO2晶粒表面迁移，这 样形成的微电池促进了光生电 子和空穴的分离，提高了光催 化效率。
金属离子可捕获导带中的电 子，抑制电子和空穴的复合， 但是掺杂浓度过高，金属离 子可能成为电子空穴复合中 心。金属离子的掺杂浓度对 TiO2光催化效果的影响通常 呈现抛物线关系。
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离子掺杂修饰
金属离子掺杂 Fe3+、Co2+、Cr3+
非金属离子掺杂 碳、氮、硫及卤素
掺杂离子提高二氧化钛光催化效率的机制可以概括为以下几个方面：
1.掺杂可以形成捕获中心，价态高于Ti4+的金属离子捕获电子， 低于Ti4+的金属离子捕获空穴，抑制电子-空穴的复合 2.掺杂可以形成掺杂能级，使能量较小的光子能激发掺杂能 级上捕获的电子和空穴，提高光子利用率 3.掺杂可以导致载流子扩散长度增大，从而延长了电子和空 穴的寿命，抑制复合。 4.掺杂可以形成晶格缺陷，有利于形成更多的Ti3+氧化中心
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课堂讨论二
报告人：廖才超
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目录
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能源问题
当前的能源结构
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环境问题
大气污染
全球每年排放SO22.9亿吨，NOx约五千万吨，可吸入粉 尘等等，导致酸雨，光化学烟雾，呼吸道疾病….
光催化机理
可以想象一下，在分子的周围，形成了大量的光致电子和 光致空穴，在光的照射下，它们不断产生有不断复合，但从 宏观的角度看，在某一时刻，总是有大量的来不及复合的电 子和空穴的存在，它们不断寻找自己的猎物。 作为光致电子来说，它们的猎物是电子受体，这样光致电 子就可以还原这个电子受体； 而光致空穴迁移到表面后的猎物时哪些能够提供电子的物 质，从而将这些物质氧化。 在过程中产生的羟基自由基和超氧离子自由基等，这些自 由基的氧化能力特别强，强化对污染物的氧化还原能力。 光照时光子被半导体吸收，这是一个贮能过程。半导体多 相光催化研究的主要内容是利用半导体材料的光敏性将太阳 能或其他形式的光能，通过光催化反应转化为化学能（如光 解水niversity
常见半导体的能带结构
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常见光催化材料
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半导体光催化制氢的条件
为了实现太阳光直接驱动水的劈裂，要求光催化材料具有：
高稳定性、价廉；
半导体的禁带宽度Eg要大于水的分解电压； 能带位置要与氢和氧的反应电势相匹配：导带位置要负于氢电极的 反应 电势，使光电子能量满足析氢反应要求。价带位置应正于氧电极的反应电势， 使光生空穴有效的氧化水。 高效吸收太阳光谱中的大多数光子。光子的能量还必须大于 半导体禁带 宽度Eg：若Eg~3v，则入射光波长应小于400 nm，只占太阳光谱很小一部分。
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光催化技术的发展历史
1972年，Fujishima（藤岛）在N-型半导 体TiO2电极上发现了水的光催化分解作用，从 而开辟了半导体光催化这一新领域。
1977年，Yokota（横田）T等发现了光照条 件下， TiO2对环丙烯环氧化具有光催化活性， 从而拓宽了光催化反应的应用范围，为有机物 的氧化反应提供了一条新思路
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Introduction
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Figure 3 compares the XPS spectra of Al2O3 / TiO2 /Pt and TiO2 /Pt in the Al 2p and Ti 2p bands. The Al 2p band of Al2O3 / TiO2 /Pt was positioned at 74.4 eV, which exactly matches that of Al 2p in pure Al2O3 (74.4 eV). The intensity of the Ti 2p band in Al2O3 / TiO2 /Pt was reduced because of the presence of Al2O3 overlayer, but the Ti 2p binding energy (464.34, 458.8 eV) in both Al2O3 / TiO2 /Pt and TiO2 /Pt was identical to that of pure TiO2.
Wooyul Kim, Takashi Tachikawa,Tetsuro Majima, and Wonyong Choi*, School of Environmental Science and Engineering, Pohang UniVersity of Science and Technology (POSTECH),Pohang 790-784, Korea, and The Institute of Scientific and Industrial Research (SANKEN), Osaka University,Mihogaoka 8-1, Ibaraki, Osaka 567-0047, Japan Received: January 27, 2009; Revised Manuscript Received: March 28, 2011
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光催化材料的改性
目前的TiO2光催化剂存在两个问题 ： 1.量子效率低 2.只能吸收紫外光，太阳能利用率低
贵金属沉积 复合半导体 离子掺杂修饰 有机染料光敏化
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贵金属沉积
沉积Ag后的TiO2光催化性能
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The overall sensitization efficiency rapidly increases with the alumina loading and then reaches a maximum beyond which the efficiency decreases with increasing the barrier layer loading. The optimal loading was found at Al/Ti = 0.009-0.018, and the activity was insignificantly low at Al/Ti = 0.18.
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环境问题
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环境问题
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现在问题来了！
新能源技术哪家强？？
氢能源
氢是一种热值很高的清洁能源，其完全燃烧的产物—水不会给环境 带来任何污染而且放热量是相同质量汽油的2.7倍。因而开发低能 耗高效的氢气生产方法，已成为国内外众多科学家关注的问题。
二氧化钛为n型半导体，其价带（VB）和导带（CB）之间的禁带宽度为3.0eV左 右。当它受到其能量相当或高于该禁带宽度的光辐射时，半导体内的电子受激发从 价带跃迁到导带，从而在导带和价带分别产生自由电子和空穴。水在这种电子-空穴 对的作用下发生电离生成H2和O2。
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有机染料光敏化
有机染料对TiO2的光敏化可以使 光催化剂吸收的光波波长红移至 可见光范围。染料分子吸收太阳 光，电子从基态跃迁至激发态， 只要活性物质激发态电势低于半 导体的导带电势，光生电子就有 可能输送到半导体的导带上，而 空穴则留在染料分子中，有效的 抑制了电子与空穴的复合，这些 光敏化物质在可见光下有较大的 激发因子，使光催化反应延伸到 可见光范围。常用的光敏化物质 有劳氏紫、玫瑰红等。