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纳米金属在光催化中的应用
姓名: 姓名:孙智权 学号: 学号 5901109265 班级: 班级:机制 096

摘要:纳米金属多种多样,其性能也非常多。光触媒(催化剂)是一种在光的照射下, 摘要 自身不起变化,却可以促进化学反应的物质,光触媒是利用自然界存在的光能转 换成为化学反应所需的能量,来产生催化作用,使周围之氧气及水分子激发成极 具氧化力的

自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无 机物质,不仅能加速反应,亦能运用自然界的定侓,不造成资源浪费与附加污染 形成。本文介绍几种在光催化效应中有作用的纳米金属以及主要具体介绍其中一 种纳米金属的相关知识。

关键词: 关键词:纳米金属,光能,催化剂,降解有机物,环境保护

、 】 1、光催化剂效应 【1】

光催化剂效应, 又称“本多——藤岛效应”是日本的本多健一和藤岛昭两位学者发现 的。 1967 年本多健一副教授和他的研究生藤岛昭在做金属的光合作用时发现: 用二氧化 钛和白金作电极,放在水里,用光照射,即使不通电,也能够把水分解为氧气和氢气。 现在是东京大学教授的藤岛昭回忆说: 他在观察到这一现象时, 激动和兴奋得睡不着觉。 植物的光合作用竞能在金属里如此简单地再现出来。利用阳光就可以大量生产清洁的氢 能。这是多么有魅力的技术。1969 年他们发表了关于二氧化钛的氧化分解功能的论文, 从此光催化剂效应便被称为“本多——藤岛效应”。但当时 TiO2 的光催化效率低,这项 研究成果就被搁置起来。90 年代中期,现代研究已经了解,TiO2 在受到阳光或荧光灯 的紫外线照射后,内部电子——空穴对激励,产生具有强氧化分解能力的活性氢氧(羟)

基原子团。在光和氧或水的存在下可降解几乎所有的附着在氧化钛表面的各种有机物如 氢化物、氮氧化物、硫化物、氯化物。但当时 TiO2 光催化剂的研究处于两难的境地: 一方面,为了提高,激发态电子——空穴对的活性,从而提高催化活性,需要高的禁带 宽度,也就需要吸收带“兰移”。TiO2 的吸收阀值波长为 387 纳米。一方面为了提高阳光 的利用率,又要求吸收带“红移”。这一对矛盾,一直制约了 TiO2 光催化性的活性增强。 有关专家学者,希望找到一种类似激光调制的光学倍频材料将可见光,红外光变频到紫 外区。或添加促进剂在可见光范围内具有效高的催化活性。这是 TiO2 光催化剂一直是 研究热点, 又多年来不能实用的根本矛盾所在, 但随着纳米科技的发展 TiO2(锐钛矿型), 在纳米尺度下禁带宽度得到满足,从根本解决了 TiO2 催化剂活性增强的问题。

1.1 TiO2 光催化氧化的影响因素

1、试剂的制备方法 2、晶体结构的影响 3、颗粒粒径的影响 4、光催化剂用量的影响 5、光源与光强的影响 6、有机物的浓度和种类的影响 7、反应温度和溶液 pH 值

2、纳米金属材料氧化锌 、 ZnO 是一种新型的 II-VI 族直接带隙宽带化合物半导体材料。室温下禁带宽度达到 3.37eV,因此具有优异的光学、电学、化学、和生物学等多种效应被广泛应用于化工、 电子、生物等工业中。由于纳米 ZnO 具有表面界面效应、量子尺寸效应、体积效应和

宏观隧道效应以及高透明度和高分散性等特点,使其在化学、光学、生物和电学等方面 表现出许多优异的物理化学性能。对纳米 ZnO 的一些主要用途做以下简介: 作为光催化剂:水中的有害的有机物质,用目前常用的水处理技术充分去除比较困 难,往往可以检测出比较微量的残留物质,如农药、色素、有机氯化物、界面活化剂等。 近年,尝试着把这些物质广泛应用于光催化剂分解处理,其中重要的光催化剂为纳米 ZnO 材料等。由于纳米氧化锌具有极强的表面效应,表面原子数与总原子数比随着纳米 尺寸的减小而大幅增加,从而引起纳米粒子的性质变化;纳米氧化锌在紫外线照射下, 在水和空气(氧气)中,能自行分解出自由移动的带负电的电子(e-) ,同时留下带正电 的空穴(h+) ,作为光催化剂可以使有机物分解。研究表明,纳米 ZnO 粒子比普通氧化 锌粒子的反应速度快 100 到 1000 倍,而且与普通粒子相比,它具有宽的能带和极大的 表面积,且几乎不引起光的散射,因此是具有广泛应用前景的活性光催化剂之一【2】

2.1 氧化锌光催化降解有机物 2.1.1 氧化锌半导体光催化降解有机物的机理 自从 1972 年 Fujishima 发现在紫外光下具有电助光催化分解水产生氢气和氧气的现 象【3-4】,利用半导体光催化剂把光能转换成电能和化学能成为研究的热点。最近,大 量文献报道了关于利用半导体光催化剂降解有机污染物,自此化学家和物理学家对二氧 化钛半导体光催化的机理提出过程和提高方法做了详尽的研究。本文基于前辈的思想对 氧化锌的光催化机理作如下阐述。 用作光催化剂的氧化锌主要是纳米 ZnO。纳米 ZnO 的光催化基本机理是: 【5-9】 ZnO 纳米微粒由于尺寸大小,表面所占的体积百分数大,表面的键态和电子态与颗粒内 部不同,表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加,且随着粒径的减小, ,表面光

滑程度变差,形成了凹凸不平的原子平台,增加了纳米 ZnO 的吸附性和化学反应的接 触面。另一方面,由于纳米氧化锌的量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分裂能级, 能隙变宽,因此在光照下,处于纳米氧化锌价带的电子被激发到导带,价带便生成空穴 (h+) ,一般情况下,激发的导带电子和价带空穴又重新复合,使光能以热能或其他形 式散发掉。 当催化剂表面存在合适的捕获剂或缺陷态时, 电子和空穴的复合就会被抑制, 从而在氧化锌表面发现了氧化还原反应。其中,导带电子是良好的还原剂,价带空穴是 良好的氧化剂。当纳米氧化锌处于水溶液中时,h+可以吸附羟基自由基,水分子并氧化 生成羟基自由基。电子与表面吸附的氧分子反应,生成超氧离子,超氧离子进一步反应 生成羟基自由基。最后,缔合在 ZnO 表面的羟基自由基为强氧化剂,可以氧化相邻的 有机物, 而且可以扩散到液相中氧化有机物, 把各种有机污染物通过一系列的氧化过程, 最终氧化为二氧化碳,从而降解有机物的降解。

2.2 改进氧化锌光催化性能的方法 2.2.1 颗粒细化纳米化 光催化反应发生在半导体表面,当光催化材料进入纳米尺寸后,就能降低光生电子 与空穴从体内到体表的传输距离, 他们复合的几率明显地降低, 因此增加了光催化活性。 同时,由于光催化反应发生在半导体催化剂表面,因此半导体具有高的比表面积将会增 加反应物分子与半导体表面光生电子与空穴接触的机会,从而提高光催化反应的效率。 Wang 等【10】用热蒸汽法合成的四脚状纳米 ZnO,由于纳米尺寸效应及大的比表面积, 其光催化活性明显高于球形纳米氧化锌材料及商业用催化剂二氧化钛。Kuo 等【11】合 成超长 ZnO 纳米线,对其光催化实验进行测试,由于大的比表面积,因此合成的纳米 ZnO 也有很高的光催化降解效果且其循环利用也很高。Yu 等【12】课题组用葡萄糖做

模板的水热法合成的中空纳米 ZnO 球,由于大的比表面积增大了反应分子与催化剂表 面接触的机会,及中空结构了对紫外光的利用率,从而大大的提高了催化剂的光催化降 解的效率。Fang 等【13】采用溶剂热方法以乙二胺为模板合成锥形层状纳微米 ZnO 器 件,由于材料的大的比表面积,其催化活性明显优于纳米片状,粒状的 ZnO。 参考文献: 参考文献: 【1】 中国化工信息网,纳米二氧化钛光催化技术介绍 【2】 豆丁网,纳米金属论文 【3】 Fujishima, Honda, A; K.Electrochemical photocatalysis of water at semiconductor electrode.Nature 1972,238:27-28 【4】 Hoffmann,M.R;Martin,S.T;Choi,W.Y;Bahnemann,D.W.Environmental applications of semiconductor photocatalysis. Chem.Rev.1995,95:69-96 【5】 潘吉浪,尹荔松,范海陆,高松华,向成承,李婷,闻立时。纳米 ZnO 光催 化降解有机物研究进展。纳米材料与应用 2006,3(5) :18-21 【6】 张绍岩,丁士文,刘淑娟,康全影,刘燕朝,丁宇。均匀沉淀法合成纳米 ZnO 及其光催化性能研究。化学学报 2002,60(7) :1225-1229 【7】 夏晓红。形貌、结构及修饰对纳米 TiO2 光催化性能的影响研究: 【博士学位 论文】 ,武汉:华中师范大学物理科学与技术学院 2007 年 【8】 Lin,H.F;Liao,S.C;Hung,S.W.The dc thermal plasma synthesis of ZnO

nanoparticles for visible-light photocatalyst.Journal of Photochemestry and PhotobiologyA:Chemistry2005,174:82-87 【9】 马丽丽。可见光响应的纳米氧化亚铜、CdS 的制备及其光催化性质研究: 【博 士学位论文】,武汉:华中师范大学物理科学与技术学院 2008 年

【10】Wan , Q ; Wang , T.H.;Zhao,J.C.Enhanced photocatalytic activity of ZnO nanotetrapods.J.Phys.Chem.B2005,87:083105 【11】Kuo, T.J;Lin, C.N;Kuo,C.L;Huang, M.H. Growth of Ultralong ZnO Nanowires on Silicon Substrates by Vapor Transport and Their Use as Recyclable Photocatalysts.Chem.Mater.2007,19:5143-5147 【12】Yu,J. G; Yu, X.X.Hydrothermal Synthesis and Photocatalytic Activity of Zine Oxide Hollow Spheres. Environ.Sci.Technol.2008,42:4902-4907 【13】Lu,F;Cai, W. P.; Zhang, Y. Q ZnO Hierarchical

Micro/Nanoarchitectures:Solvothermal Synthesis and Structurally Enhanced Photocatalytic Performance. Adv. Funct. Mater.2008,18:1047-1056

Nanometer metal’s use in the Light Catalysis
Name: sun zhiquan Manufacture 096
Abstract: A nanometer metal are many and varied, its performance are also many . The

Student Number: 5901109265

Class: Machinery

light catalyst is one kind under the light illumination, oneself does not have the change, actually may promote the chemical reaction material, the light catalyst is transforms the energy which using the nature existence energy of light into the chemical reaction needs, has the catalytic effect, periphery causes the oxygen and the hydrone stimulates Cheng Jiju the oxidizing power the free anoin. Possesses nearly decomposable to the human body and the environment harmful organic matter and

the part dead matter, not can only the vaccinoid response, can also decide using the nature, does not create the resources waste and the additional pollution formation. This article introduced that several kinds have a function nanometer metal as well as the main concrete introduction one nanometer metal related knowledge in the photochemical catalysis effect.

Key words: Nanometer metal, Light energy, Catalysis, Degeneration organic matter, Environmental conservation


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