光催化与光催化体系全册配套课件.pptxVIP

光催化与光催化体系全册配套课件

光催化及光催化反应体系

+4.1背景

→4.2光电化学与光催化

+4.3光催化机理

4.4光催化活性的影响因素

4.5光催化反应体系及光催化剂

4.6均相光催化(光化学)反应体系

主要内容

1.ENERGY

2.WATER

3.FOOD

4.ENVIRONMENT

5.POVERTY

6.TERRORISMWAR

7.DISEASE

8.EDUCATION

9.DEMOCRACY

10.POPULATION

4.1研究背景

Thetoptenproblemsmankindwillfaceduringthenext50

yearsaccordingtoNobellaureateRichardSmalley.

HumanitysTopTenProblemsfornext50years

我国既是能源短缺国又是能源消耗大国。1994年之前，我国石油基本上不依靠进口，但目前我国对进口石油的依存度已超过40%。据估计，2020年我国对进口石油的依存度将达到60%。

石油等化石能源的消耗势必造成温室气体及其它污染物的大量排放，引起地球变暖，加剧环境污染，从而给自然界带来极大的破坏，制约着社会的可持续发展。能源是未来15年我国科技发展的重要领域，清洁能源低成本规模化开发利用则是重点领域和优先主题。

氢是理想的清洁能源，其热效率是汽油的3倍，而且使用不会产生任何污染。

当前的能源结构

世界

24%

天然气

石

油

其他

煤

40%

10%

26%

利用天然气、石油、煤等化石能源通过热化学法制氢。

(技术成熟，不经济，不环保)

CH₄+H₂O→CO+3H₂(1)

CO+H₂O→CO₂+H₂(2)

电解水制氢。(能耗大)

通过热化学及生物化学分解生物质制氢。(技术路径复杂)光电化学分解水制氢。

光催化分解水制氢。(其中半导体光催化法最理想)

制取氢气的方法

光催化技术可利用太阳能在室温下发生反应，比较经济；

光催化剂，自身无毒、无害、无腐蚀性，可反复使用；

可将有机污染物完全矿化成无机离子，无二次污染。

光催化有着传统的高温、常规催化技术及吸附技术无法比拟的诱人魅力，是一种具有广阔应用前景的绿色环境治理技术及太阳能转化技术。

光催化的优点

Honda-Fujishima效应

1972年，Fujishima和Honda在研究半导体氧化物对光的反应时，第一次发现了二氧化钛的光催化效应，即在一定的偏压下，二氧化钛单晶在光的照射下能将水分解成氧气和氢气，这意味着太阳能可光解水，制取氢燃料，新发现被称为Honda-Fujishima效应，他们的论文发表在当年的《自然》杂志上。

4.2光电化学与光催化

FujishimaA,HondaK.ElectrochemicalPhotolysisofWaterataSemiconductorElectrode[J].Nature,1972,238(5358):37-38

TiO₂n-typesemiconductorPtcounterelectrode

photoelectrode

光电化学分解水制氢原理

在光照下，电子从价带跃迁到导带上，在空间电荷区电场的作用下向半导体内部迁移，而空穴向界面迁移，实现了电子空穴分离。空穴迁移到半导体表面氧化水生成氧气。电子在背接触被收集传递到对电极还原氢离子生成氢气。

FlectronEnergy

clectrolyte

光电化学分解水制氢原理

光电化学分解水是将催化剂制成电极，与对电极通过导线相连，通常还会加一个偏压。若半导体材料为n型，则在催化剂电极处产生氧气，对电极处产生氢气；若半导体材料为p型，则相反。

4.2光电化学与光催化

Moleculardesign;e.g.,Eisenbergsgroup(2013)

S₃-CdSe/[Co(bdt)₂]-H₂O-ascorbicacid

QY=24%at520nm

Non-noblemetalsloading

Compositionaldesign;e.g.,Domensgroup(2005)

GaN-ZnO/Rh,Cr₂-yO₃

H₂O

QY=5.9%at