光催化复合材料的研制+文献综述(2)
3.1 物相及形貌分析 10
3.2 元素分析 12
3.3 紫外一可见吸收分析 13
3.4 光催化结果分析 14
4 光催化降解机理 16
结 论 17
致 谢 19
参考文献20
1 绪论
21世纪人类面临的最大挑战就是环境和能源问题，光催化可以通过将太阳能转化为氢能实现太阳能储存，以此解决能源短缺问题，并且氢能为清洁能源，化石燃料燃烧减少，二氧化碳排放减少，进而解决温室效应问题。另外，光催化可以降解有毒污染物，为人类提供清洁绿色的生活空间，光催化的应用如图1.1。因此，在过去的几十年里，半导体光催化剂被广泛研究。在所有的氧化物半导体光催化剂中，二氧化钛（TiO2）由于其独特的光催化性能吸引了大批物理学家、化学家以及材料科学家的研究。TiO2具有良好的光稳定性、化学稳定性、分散性以及其比表面大、可见光透过性好、紫外吸收能力强等优点，因此在太阳能电池、水分解制氢、降解有机及无机污染物等领域引起了研究人员的浓厚兴趣[1]。目前TiO2已被广泛应用于光电材料[2]、太阳能电池(DSSC)[3]、气敏传感器[4]以及光催化剂[5]等诸多领域。然而，因TiO2禁带宽度为3.2eV，以及其作为光催化剂存在易凝聚、易失活、难分离难回收等缺点，并且由于TiO2仅对紫外光有响应，使其实际应用受到了极大的限制。因此，为了提高TiO2的光催化效率及其对可见光的利用率，科学家们进行了大量实验工作，比如金属离子掺杂[6-8]，非金属掺杂[9，10]以及与其他半导体复合[11]。另外，已经发现的新型可见光响应的催化剂对研究者们有很大的吸引力，比如Bi2Ti2O7[12, 13]、La2Zr2O7[14]和 Bi1.5MgNb1.5O7 [15]。
图1.1 光催化技术的应用简图
锡酸铋Bi2Sn2O7（BSO）是一种新的烧绿石结构的复合氧化物半导体材料，其能带宽度为2.88eV，在可见光照射下对有机物降解有较强的光催化活性。研究表明，BSO有三种晶型/单斜晶型α、面心立方晶型β、立方晶型γ[16]，不同晶型有不同的性质，其中热化学稳定的是单斜晶型。另外，由于s轨道对价带和导带的贡献，BSO可以产生高迁移率的电子和空穴，使其催化效率增强[17]。由于BSO在光催化以及气体传感器方面的应用，已经吸引了许多
研究团队的注意力[18–21]。
1.1 光催化反应的机理
固体能带理论是半导体光催化原理的基础。价带(VB)是指半导体在0k时被价电子充满的能带，导带(CB)是半导体最外面(能量最高)的一个能带，半导体能带结构不完整，从价带顶端到空的导带低端的区域称为带隙。以光为催化剂的光催化化学反应，体现了物质与光子的相互作用。它既可以加快反应速率也可以减缓反应速率。被光激发的半导体吸收的能量大于其能带宽度时，电子的跃迁会产生空穴电子对其中空穴具有强氧化性而光生电子有强还原性。有一部分电子会与溶液中的吸附氧结合而形成•O2-，•O2-具有很高的活性，可与水结合生成•OH自由基，进而经一系列反应把亚甲基蓝氧化分解掉。但与此同时也有一部分的电子未能被捕获而重新与空穴结合，从而丧失了氧化分解污染物的目的。光激发形成的空穴也可以从亚甲基蓝上直接捕获电子从而把亚甲基蓝氧化分解。以TiO2为例，其光催化进程如下：①光催化剂被光照射之后，产生载流子/光生电子和空穴；②载流子之间发生复合反应，并将能量释放（以热和光能的形式）；③价带空穴诱发氧化反应；④导带电子引起还原反应；⑤继续发生水解反应或与活性物质反应）；⑥捕获导带电子生成Ti3+；⑦捕获价带空穴生成Titanol基团。如图1.2所示。
下一篇：光催化复合纤维膜的制备及催化性能