光催化及光電催化基礎(chǔ)與應(yīng)用

第一章光化學(xué)基礎(chǔ)1

一、 光的能量與波長1

二、 熱化學(xué)與光化學(xué)5

三、 光對分子的作用6

四、光物理過程與光化學(xué)過程13

參考文獻17

第二章半導(dǎo)體光物理與光化學(xué)18

第一節(jié)半導(dǎo)體光物理18

一、 半導(dǎo)體的能級結(jié)構(gòu)19

二、 半導(dǎo)體的光吸收21

三、 半導(dǎo)體的吸收光譜22

四、 半導(dǎo)體的發(fā)射光譜23

第二節(jié)半導(dǎo)體電子性質(zhì)26

一、 帶邊位置26

二、 空間電荷層和能帶彎曲28

三、 平帶電位 30

四、半導(dǎo)體催化劑的光激發(fā)32

五、 半導(dǎo)體的光致電荷分離39

六、半導(dǎo)體催化劑表面光生電子的遷移39

第三節(jié)二氧化鈦的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)44

一、 氧化鈦三種晶相的物理性質(zhì)對比44

二、 TiO2的晶格和電子結(jié)構(gòu)45

三、 TiO2的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變 49

參考文獻50

第三章TiO2光催化原理與催化劑改性51

第一節(jié)TiO2光催化反應(yīng)原理51

一、光催化反應(yīng)原理51

二、 光催化反應(yīng)步驟52

三、 氧在光催化氧化反應(yīng)中的作用54

第二節(jié)光催化反應(yīng)類型55

一、光催化反應(yīng)類型55

二、 光催化與光化學(xué)和熱催化反應(yīng)關(guān)系57

第三節(jié)TiO2光催化活性59

一、 熱力學(xué)因素59

二、動力學(xué)因素64

三、熱處理對納米TiO2光催化活性影響機理69

第四節(jié)TiO2光催化技術(shù)存在問題74

第五節(jié)TiO2光催化劑改性76

一、 貴金屬沉積77

二、 復(fù)合半導(dǎo)體79

三、 離子摻雜80

四、光敏化87

五、 表面還原處理88

六、表面螯合及衍生作用88

七、超強酸化89

第六節(jié)光催化與其他技術(shù)耦合91

一、　微波場助光催化92

二、熱催化與光催化的耦合95

三、光催化與電催化的耦合96

第七節(jié)TiO2光催化劑失活與再生96

一、TiO2氣固多相光催化反應(yīng)的催化劑失活96

二、TiO2液固多相光催化反應(yīng)的催化劑失活100

三、研究光催化劑失活的常用方法104

四、解決催化劑失活問題的途徑106

第八節(jié)光催化研究的新動向109

一、新結(jié)構(gòu)光催化劑109

二、復(fù)合光催化劑109

三、負(fù)載助催化劑和添加劑110

四、硫化鎘111

參考文獻112

第四章TiO2光催化劑的合成118

第一節(jié)液相法合成TiO2119

一、液相沉淀法119

二、溶膠"para" label-module="para">

三、醇鹽水解沉淀法126

四、微乳液法126

五、水熱法128

第二節(jié)氣相法合成TiO2129

一、TiCl4氫氧焰水解法129

二、TiCl4氣相氧化法129

三、鈦醇鹽氣相氧化法131

四、鈦醇鹽氣相水解法132

五、鈦醇鹽氣相熱解法133

參考文獻135

第五章光催化研究方法136

第一節(jié)光催化反應(yīng)器136

一、實驗室光催化反應(yīng)器136

二、光催化反應(yīng)時間控制器138

三、實用型光催化反應(yīng)器139

第二節(jié)分析方法142

第三節(jié)光催化研究過程的分析方法155

一、目標(biāo)物的分析方法156

二、終產(chǎn)物分析159

三、中間產(chǎn)物分析方法162

四、中間產(chǎn)物毒性分析166

第四節(jié)動力學(xué)研究168

一、吸附在光催化降解中的作用168

二、光催化降解動力學(xué)方程式169

三、吸附對光催化反應(yīng)動力學(xué)方程式的影響172

參考文獻174

第六章光生電子的傳輸與捕獲176

第一節(jié)制備方法對Ag/TiO2光催化活性的影響176

一、Ag/TiO2光催化劑的制備177

二、催化劑活性178

第二節(jié)Ag擔(dān)載量變化對TiO2光催化活性的影響機理183

一、Ag擔(dān)載量變化對TiO2光催化活性的影響183

二、TiO2表面Ag分布與形貌185

三、Ag/TiO2的光譜特征185

四、Ag擔(dān)載量變化影響TiO2催化活性的機理187

第三節(jié)Ag擔(dān)載對TiO2界面光生電子傳輸與捕獲的影響189

一、電子順磁共振測試189

二、無氧條件下Ag/TiO2和TiO2活性193

三、氧氣流量對Ag/TiO2活性的影響194

四、H2O2對TiO2和Ag/TiO2光催化活性的影響195

五、Ag擔(dān)載對TiO2界面光生電子傳輸與捕獲的影響196

第四節(jié)Ag/TiO2對Cr（Ⅵ）的光催化還原197

一、Cr6 在Ag/TiO2和TiO2上的吸附198

二、pH對Cr6 光催化還原的影響198

三、空穴捕獲劑對Cr6 光催化還原的影響201

四、Ag擔(dān)載提高TiO2光催化還原活性的作用機理202

參考文獻203

第七章光催化氧化技術(shù)的應(yīng)用206

第一節(jié)有機污染物的光催化降解207

一、 液相條件下有機污染物的光催化降解214

二、氣相有機污染物的光催化降解248

第二節(jié)無機污染物的處理259

一、 金屬離子的光催化還原260

二、無機陰離子或氣體有害物質(zhì)的降解272

第三節(jié)光催化分解水制氫273

一、水的太陽能光解273

二、 半導(dǎo)體光催化水解制氫274

三、新的光催化劑和反應(yīng)體系277

第四節(jié)TiO2界面的超親水性280

一、TiO2薄膜的超親水性機理281

二、TiO2超親水性薄膜的制備283

三、影響TiO2薄膜超親水性的因素283

四、改善超親水性的措施290

五、TiO2超親水性能的應(yīng)用291

第五節(jié)光催化殺菌296

一、TiO2的光催化殺菌機理297

二、TiO2光催化殺菌特點300

三、TiO2光催化殺菌過程的超微結(jié)構(gòu)302

四、影響TiO2膜光催化抗菌材料性能的因素304

五、 TiO2光催化抗菌材料性能的提高305

六、TiO2光催化殺菌技術(shù)的應(yīng)用308

七、研究與發(fā)展方向311

第六節(jié)光催化合成反應(yīng)312

一、還原——氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)312

二、還原羧化反應(yīng)　313

三、氧化反應(yīng)313

四、復(fù)合氧化還原反應(yīng)314

參考文獻315

第八章光電催化原理與應(yīng)用323

第一節(jié)光電催化原理324

第二節(jié)光電催化電極326

第三節(jié)光電催化反應(yīng)器327

第四節(jié)光電催化反應(yīng)的影響因素329

一、 外加電壓329

二、　外加電流329

三、pH值的影響331

四、 氧的作用334

五、電子接受劑335

六、光電催化在實際水處理中的應(yīng)用前景337

參考文獻3372100433B

環(huán)境和能源是21世紀(jì)人類面臨和亟待解決的重大問題。光催化具有室溫深度反應(yīng)和可直接利用太陽能作為光源來驅(qū)動反應(yīng)等獨特性能，而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)和潔凈能源生產(chǎn)技術(shù)，并備受矚目。

全書共分九章，第一章主要介紹光化學(xué)的理論基礎(chǔ)。第二章介紹了半導(dǎo)體材料和光物理與光化學(xué)。第三章介紹了光催化的原理、存在問題、光催化劑改性以及光催化技術(shù)與其他技術(shù)的耦合。第四章主要介紹了納米TiO2光催化劑的制備方法。第五章主要介紹了光催化的研究方法，包括光催化反應(yīng)器、光催化劑的表征、光催化研究過程的分析和反應(yīng)動力學(xué)分析。第六章主要介紹了TiO2表面光生電子的傳輸與捕獲。第七章主要介紹了TiO2光催化氧化技術(shù)的應(yīng)用。第八章介紹了光電催化原理與應(yīng)用。第九章介紹了光電化學(xué)的研究方法。

光催化材料具有污染物凈化、抗菌抑菌等功能，應(yīng)用于混凝土可提升混凝土的綜合性能與使用功效，拓寬混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域。項目針對光催化材料在混凝土中應(yīng)用存在的催化效率低、功能衰減快問題，創(chuàng)新提出一種基于光催化功能載體的光催化混凝土材料設(shè)計與制備思路，通過研究光催化劑與混凝土的復(fù)合機理，提出光催化功能載體組成與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，研究掌握不同尺度、形貌的高效光催化功能載體制備技術(shù)；通過研究光催化混凝土對不同目標(biāo)物的催化機理，建立混凝土光催化功能層結(jié)構(gòu)模型，探明光催化功能層對混凝土催化效果與宏觀性能的影響規(guī)律，提出混凝土光催化功能層結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)筑實現(xiàn)方法；在此基礎(chǔ)上，模擬空氣凈化、混凝土抗菌兩種典型的應(yīng)用環(huán)境特點，評價研制的光催化混凝土催化效果與綜合性能，探討光催化活性失活機理，建立光催化混凝土長效化作用機制，為推動光催化混凝土的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐，促進混凝土材料與相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)進步。

本項目致力于以下四個主題的研究：光催化功能層結(jié)構(gòu)與催化效率、宏觀性能的關(guān)系；混凝土光催化功能層構(gòu)筑方法；服役過程光催化混凝土活性及效率；光催化水泥基材料的應(yīng)用。 項目經(jīng)過四年研究，實現(xiàn)了項目計劃任務(wù)書設(shè)定的研究目標(biāo)，達到了預(yù)期目的。發(fā)表學(xué)術(shù)論文 15 篇，參加國際學(xué)術(shù)交流會 3 次，申請獲得專利 3 項，構(gòu)建“結(jié)構(gòu)與功能一體化混凝土材料”國際合作研究與人才培養(yǎng)平臺（共同建立實驗室“WUT- Aberdeen多功能水泥基材料合作實驗室”）。基于光催化水泥基材料的研究成果，研發(fā)出能實際應(yīng)用的空氣凈化器，實現(xiàn)了生產(chǎn)和銷售。 具體研究內(nèi)容為： 基體的高吸附性能可在一定程度增強水泥基光催化材料光催化效率。研究了一種快速簡潔的方法在含有非晶硅和非晶鋁的原料表面合成蜂窩狀C-A-S-H負(fù)載層。這種蜂窩狀結(jié)構(gòu)可以很大的提升集料作為催化劑與吸附劑載體的性能。這種材料可以作為一種優(yōu)秀的催化劑與吸附劑載體應(yīng)用于空氣污染與水污染處理領(lǐng)域的實際生產(chǎn)中。 光催化石英砂對氮氧化合物作用可以分為三個階段：1）氮氧化合物無光照下的濃度穩(wěn)定，2）氮氧化合物光催化反應(yīng)，3）關(guān)掉燈氮氧化合物濃度恢復(fù)過程。光照開始之后NO濃度迅速下降， NO2濃度同時顯著增加。當(dāng)燈關(guān)掉時，二氧化氮濃度降至零。光子效率隨著二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，但穩(wěn)定在0.76%左右。光催化石英砂復(fù)合材料的穩(wěn)定性對其性能有著重要的影響。我們還研究了光催化石英砂經(jīng)水洗后的耐久性數(shù)據(jù)。在溫和的攪拌下，30%的二氧化鈦在10個循環(huán)后被去除，然而，只有大約6%的二氧化鈦在之后的10和30個循環(huán)之間損失。相比之下，10分鐘的超聲，約56%的二氧化鈦保留下來。因此，在這兩種情況下，二氧化鈦都表現(xiàn)出強烈的粘附性。 鎂相水泥中堿式晶須，作為氯氧鎂水泥的主要成分，具有簡單穩(wěn)定的晶型結(jié)構(gòu)，且原材料來源廣泛、制備簡單，可作為無機粘合料與絕大多數(shù)物質(zhì)實現(xiàn)從微觀尺度至宏觀尺度的緊密粘合，拓寬了其應(yīng)用面，是負(fù)載納米TiO2的理想基體材料。本研究提出的采用化學(xué)液相反應(yīng)法制備的堿式晶須，通過表面修飾增大了比表面積和基體穩(wěn)定性，對鎂相水泥基光催化材料的整體性能和耐久性也有較大提升。 蜂窩板組裝光催化片顆粒成型的凈化片，封裝采用纖維網(wǎng)格。采用這種結(jié)構(gòu)可以在保證透氣性的同時提高催化劑與目標(biāo)氣體的接觸時間，同時凈化片封裝完成后在反應(yīng)器中組裝方便。 2100433B