40年
160年
亿万年形成的化石燃料不过支持了约300年的现代工业文明！如果几 十年里不能发展出替代能源，石油危机也就不可避免了。
能源问题
4、能源分类
按产生方式不同: 一次能源(primary energy)：自然存在的、可以直接利用的能源
化石燃料 风能
水力能
太阳能
地热能
核能
二次能源(secondary energy)：无法从自然界直接获取，必须经过一 次能源的消耗才能得到的能源。如电力，汽油，煤气，蒸气等
氢气，还可就地生产。
能源问题
能源问题
1、化石能源的不可再生性
煤、石油、天然气均是亿万年地球运动积累而成，不能循 环使用，也不可能大量地人工合成，不可能回收。
光合作用是唯一可利用CO2 和水合成有机物的反应－地球上最 伟大的反应
能源问题
2、资源分布的不均匀性
石油：中东地区的剩余可开采储量约占世界总量的2/3。 煤炭：美、俄、中占剩余可开采储量 50%以上 。 天然气：中东和前苏联地区剩余可开采储量占70％以上。
产生缺陷或改变其结晶度，成为光生载流子的浅势捕获阱，使TiO2呈现 出p-n型光响应共存现象，延长电子与空穴复合时间降低复合概率。 ▪ 稀土、碱土元素离子掺杂:
光催化剂概述
Evs.SHE(pH=0)/eV
常见半导体材料的能带结构
SiC
ZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.0 CdS
H+/H2（E＝0 V）
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
2.4
O2/H2（E＝1.23 V）
环境问题
1、温室效应
全球气候在近几十年同步变暖，明显开始发生温室效应。
全球每年排放的CO2 高达 240亿吨之巨，几乎未经任何处理!
环境问题
目前全球臭氧层正以每年2%至3%的速度削减，如 果任其发展，在21世纪末平流层臭氧含量将降至目 前的一半以上，届时人类将会面临一场空前的浩劫!
南极上空的臭氧层空洞
环境问题
4、水体污染
▪ 染料废水：是目前难降解的工业废水之一，其毒性大，色泽深， 严重危害了生态环境。
▪ 农药：我国每年农药产量大约20万吨，还从国外进口农药75 万吨。通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。
▪ 三峡库区的主要农药污染源依然是有机磷农药中“1605”、 甲胺磷和有机氮农药中呋喃丹三个品种，这三个品种的排毒 系数之和占总排毒系数的91.4%。
• 生物多样性：每10年5～10％物种消失。
17
Ref:国家环境保护总局.《长江三峡工程生态与环境监测公报》
环境问题
18
出路与对策
1、环境污染的全球化关注
半导体光催化是有希望的技术，可以大
量的应用于环境保护，例如，空气净化， 有毒废水处理，水的净化等。
绿色合成化学，如光催化有机合成
出路与对策
2、寻求可再生、清洁能源
TiO2光催化材料在环境污染 治理与新能源领域中的应用
长沙理工大学化学与生物工程学院 夏畅斌
2015.03.20
一、能源和环境问题 二、TiO2光催化材料 三、TiO2光催化降解污染物 四、TiO2在新能源领域中的应用 五、TiO2在其它领域中的应用
中国
75%
能源问题
目前的能源结构与现状
世界
煤
气候的变化，将对全球生态带来不可估量的影响。 对于人类而言，灾难可能就出现在“后天”
环境问题
2、大气污染
全球每年排放SO2 2.9亿吨，NOx约为5千万吨，可吸入粉尘 →酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病•••
洛杉矶光化学烟雾
酸雨效应
甘肃沙尘暴
环境问题
113重点城市空气质量级别
环境问题
3、荒漠化
森林破坏速度：每年1130万公顷，以0.35毁灭； 荒漠化面积：～地球陆地1/4;
石油 17%
其 其他
天然气
2%
6%
40%
石油
24%
天然气 其
煤 其他 10%
26%
CxHy + O2
H2O + CO2 + SO2 + NOx
➢ 世界能源主要依赖不可再生的化石资源； ➢ 我国能源结构面临经济发展和环境保护的双层压力；新能源的开发非常重要 ➢ 氢能作为理想的清洁的可再生的二次能源，其形成的关键是廉价的氢源； ➢ 太阳能资源丰富、普遍、经济、洁净。太阳能光分解水技术可望获得廉价的
出路与对策
储存：化学相变储热、光化学储能；
太阳能的利用：转换：光化学合成、太阳能光解水，热解制氢；
利用：光电化学电池
太阳能热利用
光伏效应
光电化学电池
O2
H2
e
sc
M
H2O
光↔化学能转化
出路与对策
3、环境与能源问题的基本解决方案 光催化环境净化 光催化有机合成 太阳能电池
太阳能光解水、甲醇、生物质制氢 ......
地区间政治、经济和军事冲突的主要原因
能源问题
3、资源的短缺性
在过去100年里，人类消耗了1420亿吨石油和2650亿吨煤，消 费了世界56％的石油和60％以上的天然气，以及50％以上的重要 矿产资源。
60年
《BP世界能源统计2007》的 数据表明，全球石油储量可 供生产40年，天然气和煤炭 则分别可以供应65年和162年
能源问题
按可否再利用： 可再生能源(renewable energy)—不断获得补充的能源，如，太阳 能、生物质能、化学电源、氢能等
不可再生能源—一旦开采枯竭，便不能再恢复。如煤பைடு நூலகம்石油、核 燃料等
能源问题
5、能源材料：
• 与能源开发、运输、转换、储存和利用等过程相关的材料. • 包括：储能材料、节能材料、能量转换材料和核能材料.
人口和生活质量的提高，全球能源消耗每年仍以2％速 度增加，唯一出路是新增部分由可再生能源补充。
TW=1012W
出路与对策
可再生能源的特点
自然能(风能、太阳能等)的特点： • 周期性：一年四季，早晚变化 • 分散性：总体能量巨大，单位面积能量密度很低； • 地域性：人口密集区往往自然能源不多
高效地收集、转换、储存？
2.0
绝大部分只能吸
收不到5％的太
3.0
阳光(紫外部分)!
光催化材料种类
纳米TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂
(1)、TiO2基材料改性：
A、金属离子掺杂： ▪ 在TiO2晶格中引入新电荷、形成缺陷或改变晶格类型，影响光生载流子
的运动状况、调整其分布状态或改变能带结构，导致活性发生改变。 ▪ 过渡离子掺杂：过渡元素金属存在多个化合价，少量掺杂即可在其表面