O 2/H 2O
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各种常用半导体的能带宽度和能带边缘电位示意图（pH = 0）
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纳米TiO2光催化剂简介
➢光催化技术的发展历史
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2光催化剂的优点
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2的结构与性质
锐钛矿型:共边
TiO2晶型结 构示意图
当用能量等与或大于禁带宽度（Eg）的光照射时，半导体 价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相应的 空穴，这样就在半导体内部生成电子（e-）－空穴（h+）对。
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➢半导体价带的光激发
空气和溶液 中通常是氧
固体中的光激发和脱激过程
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e-
④
Ox-
① ②
HO Ti ⑦
Red+ →→→CO2,Cl,H+,H2O
Tetragonal system
Lattice constant
a
c
5.27 9.37
Lengths of Ti-O bond
/nm 0.195
Eg/eV 3.2
rutile
4.22 Tetragonal 9.05 5.8
0.199
3
system
brookite
4.13 Rhombic system
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纳米TiO2光催化剂简介
➢锐钛矿相和金红石相TiO2的能带结构
CB/e-
Hale Waihona Puke 0.2eV CB/e-两者的价带位置相同，光生 空穴具用相同的氧化能力;但
锐钛矿相导带的电位更负，光 生电子还原能力更强
3.2eV VB/h+
3.0eV VB/h+
混晶效应：锐钛矿相与金红 石相混晶氧化钛中，锐钛矿表 面形成金红石薄层，这种包覆 型复合结构能有效地提高电子 -空穴的分离效率
掺杂半导 体
P型半导体（依靠空穴进行导电）
半导体的能带结构 Eg＜ 3eV
导带 禁带 价带
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纳米TiO2光催化剂简介
实际半导体中，由于半导体材料中不可避免地存在杂质和各 类缺陷，使电子和空穴束缚在其周围，成为捕获电子和空穴的陷 阱，产生局域化的电子态，在禁带中引入相应电子态的能级。N
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➢光生电子—空穴对的氧化还原机理
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➢TiO2光催化主要反应步骤
价带空穴诱发氧化反应
捕获价带空穴生成Titanol基团
hv
复 合
导带电子诱发还原反应
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捕获导带电子生成Ti3+
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⑥
Ti
光催化反应是光和物质之间相互作用的多种方式之一，是 光反应和催化反应的融合，是光和催化剂同时作用下所进行 的化学反应。
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纳米TiO2光催化剂简介
半导体光催化剂有ZnS、TiO2、ZnO、CdS、SnO2和Fe3O4 等，但是ZnS、ZnO、 SnO2 、CdS 和Fe3O4等的光腐蚀现象时 常发生，严重降低了催化活性，而TiO2是一种新型的无机金属 氧化物材料，它是一种N型半导体材料，由于具有较大的比表 面积和合适的禁带宽度，因此具有优异的光催化活性，并且价 格便宜，无毒无害，且能够连续使用而不失活。
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纳米TiO2光催化剂简介
半导体是指电导率在金属电导率（约104~106Ω/cm)和电介质电导
率（＜1-10 Ω/cm)之间的物质，一般的它的禁带宽度Eg小于3eV。
本征半导体（纯的半导体，不含有任何杂质，禁带
半导体
中不存在半导体电子的状态,即缺陷能级) N型半导体 （依靠自由电子进行导电）
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➢ TiO2光催化材料的特性
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研究方向：TiO2改性，提高太阳能的转化率及光催化 效率
TiO2是当前最具有应用潜力的光催化剂
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➢TiO2光催化剂的催化机理
半导体的能带结构
半导体存在一系列的满带，最上面的满带成为价带 （valence band，VB）；存在一系列的空带，最下面的空带称 为导带（conduction band，CB）；价带和导带之间为禁带。
LUMO
导
带
能
量
价 带
HOMO
半导体能带宽度与粒子大小N(Å)的关系示意图
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1.1 2.2
2.4 3.2 2.8 3.03
3.2 3.6
3.8
-1 ENHE
CdS
ZnO
TiO2 SrTiO3
0
Fe2O3
WO3
1 Si
2 ZnS
3
SnO2
H +/H 2
型半导体的缺陷能级Ed靠近导带，P型半导体的Ea靠近价带。
导带 Ec Ed
价带
Ev
N型半导体的能级
导带 Ec
Ea
价带
Ev
P型半导体的能级
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➢为什么要用纳米纳半米导体T光iO催2化光剂催？ 化剂简介
原子 轨道
N=1
分子 轨道
N=2
簇物
N=10
量子化 粒子
半导体
N=2000 N>>2000
光催化技术与应用优秀课件
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第六章 光催化技术与应用
纳米TiO2光催化剂简介 纳米TiO2光催化剂的制备 纳米TiO2光催化剂的表征 纳米TiO2光催化剂的应用
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纳米TiO2光催化剂简介
➢ 什么是多相光催化？
多相光催化是指在有光参与的情况下，发生在催化剂及表 面吸附物（如H2O，O2分子和被分解物等）之间的一种光化 学反应。
TiO6
Ti
O
金红石型：共顶点且共边
TiO2是n型半导体，氧空位（O2-）缺位是点缺陷部位，包括晶格氧空 位、单桥氧空位、双桥氧空位。
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2晶体的基本物性
Crystal structures
anatase
Relative density
3.84
Type of lattice
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纳米TiO2光催化剂简介
纳米TiO2是一种附加值很高的精细无机功能材料，尺寸 约在1nm－100nm之间。由于颗粒尺寸的微细化，使得纳米 TiO2具有块状材料所不具备的独特性质。其特有的小尺寸效 应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应、宏观量子隧 道效应，导致纳米二氧化钛的光催化活性、降解有机物的深 度以及光量子产率均较常规氧化钛有大幅度的提高，因而纳 米氧化钛光催化材料正成为纳米科技较早直接造福人类的有 力工具。