光催化 环境净化应用与绿色能源探索PDF电子书下载

第1章 光催化基础 1

1.1 光催化的历史 1

1.1.1 光催化现象的发现 1

1.1.2 能源危机带来的发展机遇 1

1.1.3 环境危机带来的机遇 2

1.1.4 超级细菌和流行病毒的新对策 2

1.2 光催化基本概念 3

1.2.1 光催化剂和光催化反应 3

1.2.2 固体能带结构 3

1.2.3 光生电子、光生空穴和复合中心 3

1.3 光催化的应用领域 4

1.3.1 环境净化应用 4

1.3.2 微生物杀菌净化 5

1.3.3 表面自清洁净化 5

1.3.4 能源催化应用 6

1.4 光催化的发展趋势 6

1.4.1 新型光催化材料探索 7

1.4.2 光催化过程活性和能效的提高 7

1.4.3 光催化实际应用拓展 7

1.4.4 光催化技术的前景 7

参考文献 8

第2章 光催化原理 9

2.1 光催化反应的基元过程 9

2.1.1 光催化反应过程 9

2.1.2 反应过程的影响因素 12

2.1.3 从基元过程到探索高能效和高活性光催化剂的新思路 15

2.2 半导体能带理论 18

2.2.1 能带理论 18

2.2.2 带边位置 18

2.2.3 量子尺寸效应 19

2.2.4 电荷的传输与陷阱 20

2.2.5 空间电荷层和能带弯曲 20

2.2.6 电荷界面转移过程 20

2.2.7 光化学腐蚀反应 21

2.3 半导体的光学性质 21

2.3.1 光的吸收波长 21

2.3.2 光吸收的强度 22

2.3.3 光与光催化剂的相互作用——光物理过程与化学过程 22

2.4 光子激发与电荷迁移过程 22

2.4.1 光子激发过程 22

2.4.2 光生空穴和电子的分离、迁移、复合过程 22

2.5 表面吸附和反应 23

2.6 光催化与纳米材料 24

2.6.1 纳米尺度与光吸收 24

2.6.2 纳米尺度与分离效率 24

2.6.3 纳米尺度与表面活性 24

2.7 光催化氧化反应机理 25

2.7.1 光催化氧化模型 25

2.7.2 超氧自由基降解机理 25

2.7.3 羟基自由基降解机理 25

2.7.4 空穴直接氧化降解机理 27

2.7.5 气相体系的光催化反应原理 27

2.7.6 液相体系的光催化反应原理 27

2.8 光催化杀菌原理 28

2.9 光催化自清洁原理 28

2.10 光催化太阳能转换原理 30

2.10.1 光解水制氢原理 30

2.10.2 染料敏化太阳能电池 30

2.10.3 CO2的光还原原理 32

2.11 光催化反应活性的影响因素 32

2.11.1 光催化剂的晶型和晶面 33

2.11.2 光催化剂的结晶性 33

2.11.3 比表面积及其吸附作用 34

2.11.4 pH值的影响 34

2.11.5 反应温度的影响 34

2.12 光催化反应动力学过程 35

参考文献 35

第3章 TiO2光催化材料可控合成 39

3.1 TiO2光催化材料的晶体结构和性能 39

3.1.1 TiO2的晶体结构 39

3.1.2 TiO2的电子结构 40

3.1.3 TiO2的光学特性 40

3.1.4 TiO2的理论设计 40

3.1.5 能带结构的理论计算 40

3.1.6 能带结构的调控 40

3.2 TiO2光催化材料的可控合成 40

3.2.1 气相法制备TiO2 41

3.2.2 液相法制备TiO2 44

3.2.3 醇解法制备TiO2纳米粉体光催化剂 47

3.3 TiO2纳米管结构的控制合成 54

3.3.1 模板法 54

3.3.2 水热法 54

3.3.3 阳极氧化法 55

3.4 TiO2纤维的制备方法 56

3.4.1 钛酸酯晶须脱碱法 56

3.4.2 溶胶-凝胶法 57

3.4.3 水热法及溶剂热法 59

3.4.4 其它制备方法 59

3.5 核壳结构TiO2的控制合成 59

3.5.1 TiO2作为核的核壳体系 60

3.5.2 TiO2作为壳层的核壳体系 61

3.5.3 TiO2作为核壳结构载体的体系 62

3.6 介孔结构TiO2的合成 62

3.6.1 模板剂方法 62

3.6.2 钛酸酯-十八胺法制备中孔纳米TiO2粉体 63

3.6.3 P123制备纳米TiO2介孔材料 64

3.7 可见光响应纳米TiO2光催化材料的合成 64

3.7.1 金属离子掺杂 65

3.7.2 非金属元素掺杂 66

3.7.3 非金属元素的单质掺杂 66

3.7.4 非金属元素的共掺杂 68

3.7.5 离子注入 68

3.7.6 表面光敏化 69

3.7.7 表面杂化 71

3.8 TiO2光催化材料的应用 72

3.8.1 在空气净化上的应用 72

3.8.2 在污水处理上的应用 72

3.8.3 在化妆品上的应用 72

参考文献 72

第4章 TiO2薄膜光催化材料 78

4.1 薄膜光催化材料的特点 79

4.1.1 比表面积小 79

4.1.2 吸附能力弱 79

4.1.3 反应活性低 79

4.2 TiO2薄膜光催化材料的制备 80

4.2.1 物理镀膜法 80

4.2.2 化学方法 81

4.3 薄膜与基底的相互作用 85

4.3.1 薄膜与金属基底的相互作用 85

4.3.2 薄膜与玻璃基底的相互作用 89

4.3.3 薄膜与柔性基底的相互作用 93

4.4 多孔及介孔薄膜光催化材料的合成方法 94

4.4.1 软模板法 94

4.4.2 硬模板法 96

4.5 TiO2纳米管阵列光催化薄膜 96

4.5.1 模板法制备TiO2纳米管阵列 96

4.5.2 在基底物质表面制备TiO2纳米管阵列 97

4.5.3 阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列 97

4.5.4 钛合金氧化制备复合金属氧化物纳米管阵列 97

4.5.5 自组装制备特殊功能TiO2纳米管阵列 98

4.6 可见光响应型TiO2薄膜 98

4.6.1 金属离子掺杂 99

4.6.2 非金属离子掺杂 99

4.7 氮掺杂可见光响应型二氧化钛的制备方法 100

4.7.1 溅射法制备掺氮TiO2 100

4.7.2 脉冲激光沉积 100

4.7.3 加热法 101

4.7.4 离子注入法 101

4.8 薄膜光催化剂的应用 101

4.8.1 在抗菌上的应用 101

4.8.2 TiO2薄膜自清洁作用 101

4.8.3 TiO2薄膜可作为亲水防雾涂层 102

参考文献 102

第5章 TiO2光催化材料的活性提高 105

5.1 影响光催化材料活性的主要因素 105

5.2 TiO2晶相结构与缺陷的控制 106

5.3 能带位置对光催化性能的影响 107

5.4 晶粒大小的控制 109

5.4.1 光生载流子的输运 109

5.4.2 吸附能力的改变 109

5.4.3 晶粒尺寸对能隙的影响 109

5.5 阳离子掺杂 110

5.5.1 稀土离子掺杂 110

5.5.2 过渡金属离子掺杂 114

5.6 阴离子掺杂 116

5.6.1 氮的掺杂 117

5.6.2 硫的掺杂 117

5.6.3 卤素的掺杂 118

5.6.4 碳的掺杂 118

5.7 表面贵金属改性 118

5.7.1 贵金属纳米颗粒的表面沉积 118

5.7.2 表面等离子体共振吸收 119

5.7.3 电荷迁移的增强效应 120

5.7.4 负载贵金属后的光催化活性和选择性 121

5.7.5 不同负载方法对光催化活性和选择性的影响 121

5.8 半导体的表面光敏化技术 122

5.8.1 染料敏化 122

5.8.2 酞菁敏化 122

5.9 半导体的异质结复合技术 122

5.9.1 半导体的表面异质结 122

5.9.2 异质结促进活性提高的原理 123

5.9.3 SnO2/TiO2异质结体系 123

5.9.4 界面复合（TiO2/SnO2/glass、SnO2/TiO2/glass） 123

5.9.5 复合顺序对光催化活性的影响 124

5.9.6 复合样品内外层厚度对光催化活性的影响 124

5.10 影响反应活性的环境因素 126

5.10.1 光源与光强 126

5.10.2 有机物浓度 127

5.10.3 pH值 127

5.10.4 温度 127

5.10.5 其它影响因素 127

5.11 辅助能量场对TiO2光催化反应的影响 128

5.11.1 热场 128

5.11.2 电场 128

5.11.3 微波场 129

5.11.4 超声场 129

参考文献 130

第6章 TiO2光催化材料的能效提高 133

6.1 离子掺杂技术 133

6.1.1 TiO2的本征吸收 134

6.1.2 离子掺杂类型对二氧化钛光催化活性的影响 137

6.1.3 离子掺杂的方法 139

6.2 染料光敏化 144

6.2.1 TiO2光敏化的机理 145

6.2.2 无机化合物敏化剂 145

6.2.3 有机染料敏化剂 146

6.2.4 金属有机配合物敏化剂 147

6.2.5 复合光敏化剂 148

6.3 表面杂化 149

6.3.1 TiO2/C60 149

6.3.2 TiO2/C 149

6.3.3 TiO2/PANI 150

6.4 半导体的异质结复合 150

6.4.1 复合半导体的模型结构 151

6.4.2 CdS半导体的光电性能与光腐蚀过程 152

6.4.3 CdS-TiO2复合半导体的电子传输机理 153

6.4.4 CdS-TiO2复合半导体的合成方法 153

参考文献 155

第7章 新型光催化材料的探索 159

7.1 新型光催化材料探索的重要性 159

7.1.1 TiO2光催化材料的局限性 159

7.1.2 复合氧化物的优势以及研究现状 159

7.2 钽铌钙钛矿结构光催化材料 160

7.2.1 碱金属钽酸盐复合氧化物 161

7.2.2 碱土金属钽酸盐复合氧化物 168

7.2.3 金属铌酸盐复合氧化物 177

7.3 钨钼钒系光催化材料 180

7.3.1 钨酸盐系光催化材料 180

7.3.2 钼酸盐系光催化材料 217

7.4 含氧酸盐光催化材料 226

7.4.1 水热法制备Bi PO4及其光催化性能 226

7.4.2 水热法制备Bi2O2（OH）NO3及其光催化性能 229

7.5 石墨结构C3 N4（g-C3 N4）聚合物光催化材料 235

参考文献 237

第8章 光电协同作用提高光催化材料的降解性能 240

8.1 光电协同催化基础 240

8.2 光电协同催化原理 241

8.2.1 电场辅助光催化过程 242

8.2.2 光电协同催化氧化过程 242

8.3 光电协同催化实验 242

8.3.1 光电协同催化电极 242

8.3.2 光电协同反应设备 245

8.3.3 光电协同催化反应的影响因素 246

8.4 Bi2WO6薄膜的光电协同催化 249

8.4.1 Bi2WO6薄膜的表征 249

8.4.2 Bi2WO6薄膜对4-CP的光电协同催化降解 250

8.4.3 Bi2WO6薄膜的稳定性分析 253

8.5 TiO2纳米管阵列的光电协同催化 253

8.5.1 TiO2纳米管阵列的制备 254

8.5.2 TiO2纳米管阵列光电性能研究 254

8.5.3 TiO2纳米管阵列的修饰改性 256

8.6 光电协同催化的环境净化 266

8.6.1 光电协同催化污水净化应用 266

8.6.2 光电协同催化存在的问题 267

参考文献 268

第9章 表面杂化及其光催化性能的提高 272

9.1 共轭π材料的结构和电子性能 272

9.2 表面杂化作用机理 272

9.3 C 60的表面杂化 273

9.3.1 C60的性质和结构特点 273

9.3.2 简单氧化物光催化剂的C 60表面杂化 274

9.3.3 新型复合氧化物光催化剂的C 60表面杂化 286

9.4 类石墨碳的表面杂化 289

9.4.1 类石墨碳的性质和结构特点 289

9.4.2 简单氧化物光催化剂的类石墨碳表面杂化 289

9.5 聚苯胺的表面杂化 301

9.5.1 聚苯胺的性质和结构特点 301

9.5.2 简单氧化物光催化剂的PANI表面杂化 302

9.6 石墨烯的表面杂化 312

9.6.1 石墨烯的性质及结构特点 312

9.6.2 简单氧化物光催化剂的石墨烯表面杂化 312

9.7 C3N4的表面杂化 319

9.7.1 C3N4的性质及结构特点 319

9.7.2 简单氧化物光催化剂的C3 N4表面杂化 319

参考文献 325

第10章 光催化材料的理论计算研究方法 327

10.1 半导体的能带理论 327

10.1.1 半导体与带隙 327

10.1.2 导带和价带电位估算 328

10.1.3 载流子的有效质量 329

10.1.4 缺陷浓度与缺陷形成能 329

10.2 光催化理论计算的信息 331

10.2.1 能带结构及态密度分布 331

10.2.2 光学性质 333

10.2.3 缺陷形成能与化学势 334

10.3 理论计算方法 335

10.3.1 基于密度泛函理论的第一性原理概述 335

10.3.2 第一性原理计算流程 336

10.3.3 基于密度泛函理论计算软件包CASTEP和SIESTA软件 337

10.4 氧化物半导体光催化材料的能带计算 339

10.4.1 d0氧化物 339

10.4.2 d10氧化物 341

10.4.3 其它氧化物 343

10.5 二氧化钛点缺陷结构的理论研究 347

10.5.1 几何结构 348

10.5.2 本征缺陷能 349

10.6 非金属单掺杂TiO2的电子结构 352

10.6.1 物理模型 352

10.6.2 缺陷形成能 352

10.6.3 电子结构 354

10.7 非金属与过渡金属共掺杂TiO2的电子结构 356

10.7.1 物理模型 356

10.7.2 共掺杂的束缚能 356

10.7.3 共掺杂的电子结构 357

10.8 共掺杂的协同效应研究 359

10.8.1 物理模型 359

10.8.2 共掺杂缺陷形成能 360

10.8.3 电子结构 362

10.8.4 光学性质 363

参考文献 364

第11章 光催化材料的表征方法 366

11.1 光催化材料的成分分析方法 366

11.1.1 X射线荧光光谱法 366

11.1.2 原子吸收光谱法 368

11.1.3 等离子体质谱法 369

11.1.4 电子探针分析法 370

11.2 光催化材料的物相结构的表征 371

11.2.1 X射线晶体衍射 371

11.2.2 电子衍射分析 377

11.2.3 拉曼光谱分析 378

11.3 表面与价键分析 380

11.3.1 红外光谱分析 380

11.3.2 X射线光电子能谱 382

11.3.3 俄歇电子能谱 387

11.4 分散度及形貌分析 393

11.4.1 扫描电镜 393

11.4.2 透射电镜 395

11.4.3 原子力显微镜 398

11.4.4 粒度分析仪 399

11.5 光吸收性能研究 401

11.6 光催化材料的热分析方法 402

11.7 比表面和孔分布研究 403

参考文献 404

第12章 光催化性能评价研究方法 406

12.1 光催化机理研究 406

12.1.1 紫外-可见漫反射光谱法 406

12.1.2 荧光光谱：缺陷结构与寿命 409

12.1.3 表面光电压谱 412

12.1.4 表面光电流 415

12.1.5 交流阻抗谱 417

12.1.6 平带电位 419

12.1.7 自由基与空穴捕获研究 420

12.1.8 时间分辨光电导谱（TRPC） 423

12.2 光催化反应过程中的产物分析 424

12.2.1 高效液相色谱方法 424

12.2.2 色谱/质谱联用技术 424

12.2.3 离子色谱 427

12.2.4 总有机碳分析 428

12.3 光源与光催化反应器 429

12.3.1 光源与光谱器件 429

12.3.2 光催化反应器 430

12.4 光催化材料性能评价 431

12.4.1 液相光催化活性评价方法 432

12.4.2 气相光催化活性评价方法 434

12.4.3 光解水制氢性能评价 435

12.4.4 光催化自清洁性能评价方法 436

12.4.5 光催化抗菌性能测试 437

参考文献 439

第13章 光催化材料的环境净化应用 442

13.1 光催化对有毒有害物的分解反应 442

13.1.1 挥发性有机化合物 442

13.1.2 内分泌干扰物 446

13.1.3 持久性有机污染物（POPs） 448

13.2 光催化在空气净化方面的应用 452

13.2.1 甲醛净化 453

13.2.2 甲苯净化 454

13.3 光催化在水净化方面的应用 454

13.3.1 表面活性剂 454

13.3.2 染料废水 455

13.3.3 农药废水 456

13.4 光催化降解复合技术 456

13.4.1 光催化降解净化 456

13.4.2 光电协同催化降解净化 456

13.4.3 臭氧协同光催化降解 457

13.4.4 双氧水协同光催化降解 457

13.4.5 Fenton光催化降解 457

13.5 光催化降解的应用 458

13.5.1 生活饮用水的净化 458

13.5.2 低浓度高毒性污水的净化 458

13.6 光催化在建筑材料方面的应用 460

13.6.1 自清洁玻璃 460

13.6.2 自清洁涂料 461

13.7 光催化在抗菌净化方面的应用 462

13.7.1 抗菌陶瓷 463

13.7.2 抗菌玻璃 463

13.7.3 抗菌不锈钢 463

13.7.4 抗菌塑料 463

13.7.5 抗菌涂料 463

13.7.6 其它 463

参考文献 464

第14章 光催化新能源 467

14.1 光催化水分解制氢反应 467

14.1.1 光催化分解水制氢基本原理 467

14.1.2 提高光催化剂分解水制氢效率的方法 470

14.1.3 粉体光催化剂分解水制氢 472

14.1.4 光电催化分解水制氢 475

14.2 太阳能光伏电池 477

14.2.1 染料敏化太阳能电池 477

14.2.2 其它太阳能电池 483

14.3 二氧化碳的能源利用 485

14.3.1 还原CO2方法的概述 485

14.3.2 光催化还原CO2的催化体系 487

参考文献 489

第15章 光催化可降解塑料研究 494

15.1 光催化可降解塑料原理 494

15.2 聚苯乙烯（PS）可降解塑料 495

15.2.1 紫外降解过程和产物分析 495

15.2.2 可见光降解研究 500

15.3 聚乙烯可降解塑料 504

15.3.1 PE-TiO2薄膜在紫外光及日光下的光催化降解研究 504

15.3.2 PE-（TiO2/CuPc）薄膜在日光下的光催化降解研究 510

15.3.3 改善聚乙烯薄膜降解性能的其它相关研究 514

15.4 基于光催化的可降解塑料的进展 517

15.4.1 直接利用纳米TiO2作为光催化剂 517

15.4.2 改性纳米TiO2作为光催化剂 518

参考文献 521

索引 523