/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-
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
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2光催化剂的催化机理
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
•
纳米TiO2是一种附加值很高的精细无机功能材料，尺
4
.
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
1972年，Fujishima 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的领域。
1977年，Yokota 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，
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
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纳米TiO2光催化剂简介
➢ TiO2光催化材料的特性 1. 原料来源丰富，廉价。但光致电子和空穴的分离 转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低 2.光催化活性高（吸收紫外光性能强;禁带和导带之 间能隙大；光生电子的还原性和空穴的氧化性强）。 只3.化能学用性紫质外稳光定活（化耐，酸太碱阳和光化利学用腐率蚀低），无毒。但 粉末状TiO2在使用的过程中存在分离回收困难等问 题
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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纳米TiO2光催化剂简介
➢为什么要用纳米半导体光催化剂？
原子 轨道
N=1
分子 轨道
N=2
簇物
N=10
量子化 粒子
N=2000
半导体
N>>2000
3.合适的光催化剂具有廉价无毒，稳定及可重复 利用等优点
4.可以利用太阳能作为光源激活光催化剂
5.结构简单，操作容易控制，氧化能力强，无二 次污染
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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2的结构与性质
Ti
O TiO6
TiO2晶型结 构示意图
锐钛矿型:共边 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。
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
为有机物的氧化反应提供了一条新思路。
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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纳米TiO2光催化剂简介
➢TiO2光催化剂的优点
1.水中所含多种有机污染物可被完全降解成CO2， H2O等，无机污染物被氧化或还原为无害物 2.不需要另外的电子受体
光催化技术和应用课件
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。
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型
LUMO
导
带Байду номын сангаас
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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纳米TiO2光催化剂简介
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+/H2
O2/H2O
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
力工具。
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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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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
Tetragonal system
Lattice constant
a
c
5.27 9.37
Lengths of Ti-O bond