光催化液十大排名（光催化劑價格）

大家好！今天讓創(chuàng)意嶺的小編來大家介紹下關(guān)于光催化液十大排名的問題，以下是小編對此問題的歸納整理，讓我們一起來看看吧。

本文目錄:

• 1、光催化劑有液體嗎

• 2、鄒志剛院士團隊ACS Catalysis: 高效可見光催化C-N偶聯(lián)反應新思路

• 3、神奇的光觸媒（一）

• 4、zns和cds光催化活性哪個高

一、光催化劑有液體嗎

沒有。

當前世界上所有的光催化劑都是固體的，暫時沒有液體的。

通俗意義上講觸媒就是催化劑的意思，光觸媒顧名思義就是光催化劑。催化劑是改變化學反應速率的化學物質(zhì)，其本身并不參與反應。光催化劑就是在光子的激發(fā)下能夠起到催化作用的化學物質(zhì)的統(tǒng)稱。

二、鄒志剛院士團隊ACS Catalysis: 高效可見光催化C-N偶聯(lián)反應新思路

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第一作者：鈕峰

通訊作者：涂文廣教授，周勇教授，鄒志剛教授

通訊單位：香港中文大學（深圳）理工學院

論文DOI：10.1021/acscatal.2c00433

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通過醇和胺的C-N偶聯(lián)是工業(yè)中合成不同有機胺的重要反應路徑，而這一過程往往需要在高溫高壓等較苛刻的條件下進行。因此，本工作中，我們設(shè)計了一種基于CdS-Pd單原子體系催化劑用于實現(xiàn)高效可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)反應獲得二級胺。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，Pd與CdS表面的懸掛S原子原位配位形成單一Pd-Sx物種。該催化劑的可見光催化C-N偶聯(lián)的二級胺產(chǎn)率接近100%，同時釋放出可觀的綠色能源氫氣（11.8 mmol gcat-1h-1）。機理研究與分析表明，苯甲醇上脫去的H+較容易吸附到長壽命的•Pd-Sx中間態(tài)物種而形成H-Pd-Sx中間體。最后，吸附的H又容易脫附，加成到芐烯苯胺的N上，實現(xiàn)氫轉(zhuǎn)移，完成亞胺的加氫過程，得到最后所需要的二級胺產(chǎn)物芐基苯胺。整個過程中，H的吸脫附可以循環(huán)進行，因此Pd-Sx配位物種可以作為有效的氫轉(zhuǎn)移的橋梁實現(xiàn)加氫過程。此外，該光催化劑體系具有較好的底物適應性和循環(huán)能力。這一工作將為溫和條件下實現(xiàn)高效C-N偶聯(lián)反應提供一種新的思路。

背景介紹

隨著工業(yè)的發(fā)展與進步，有機胺廣泛應用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、家居、軍工等領(lǐng)域，其合成在工業(yè)生產(chǎn)中有著越來越明顯的重要性?；凇敖铓錂C制（氫轉(zhuǎn)移）”，通過胺與醇的C-N偶聯(lián)被認為是一種較為綠色的合成有機胺的理想路徑。這一過程主要包含醇的脫氫、亞胺的生成以及亞胺的加氫這三個主要步驟。其中醇的脫氫是整個反應的決速步驟。然而，基于這一機制，在熱催化合成有機胺的過程中存在一些缺點：（1）醇的脫氫決速步驟需要較苛刻的條件（高溫高壓）；（2）易發(fā)生過度偶聯(lián)，使得產(chǎn)物分布廣，不利于分離；（3）反應中使用的催化劑多為高負載量的負載型貴金屬催化劑（如Ru/Al2O3、Pd/Al2O3、Rh/Al2O3等），成本較高。因此，開發(fā)出高效低成本的催化劑具有一定的挑戰(zhàn)性。近年來，利用光氧化還原技術(shù)實現(xiàn)常溫常壓條件下有機胺的合成引起了廣泛的關(guān)注。研究者們通常采用一些貴金屬有機配合物分子進行均相催化反應，但反應后催化劑難以進行分離，在實際工業(yè)生產(chǎn)中難以大規(guī)模應用。而采用傳統(tǒng)的半導體光催化劑進行多相催化反應，則可以有效解決這一難題。然而僅僅依靠半導體本身的催化能力，很難達到較高的催化活性，實際應用過程中往往需要通過負載一些助催化劑或表面修飾來提高催化性能。近些年，單原子催化被認為是較有前景的領(lǐng)域。單原子催化劑由于其獨特的電子結(jié)構(gòu)和較高的原子利用效率而表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，被廣泛應用于光催化水分解制氫、二氧化碳還原、固氮和有機物降解等領(lǐng)域。因此，我們課題組設(shè)計開發(fā)了一種單原子光催化劑CdS-Pd，該催化劑可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)反應，獲得具有工業(yè)應用價值的二級胺。同時反應過程中釋放出清潔能源氫氣。這一工作將為溫和條件下實現(xiàn)C-N偶聯(lián)反應提供一種新的途徑。

本文亮點

1. 本工作通過Pd原子與CdS表面的懸掛S原子原位配位制備了一種CdS-Pd的單原子光催化劑，該催化劑可以實現(xiàn)高效可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)反應獲得近100%產(chǎn)率的二級胺N-芐基苯胺以及較高的產(chǎn)氫活性。

2. 實驗和理論計算結(jié)果證實了，相比于Pd納米顆粒助催化劑負載的CdS，單一Pd-Sx物種能夠有效捕獲光生電子，使其具有較長的壽命，而且氫在Pd-Sx物種上的吸脫附能力較強，從而可以作為有效的氫轉(zhuǎn)移載體實現(xiàn)亞胺的加氫，得到目標產(chǎn)物二級胺。

3. 此外，在優(yōu)化的反應條件下，該催化劑具有較好的穩(wěn)定性，以及對不同醇類和取代胺的C-N偶聯(lián)反應具有良好的底物適應性。

圖文解析

本工作中，首先我們采用水熱法制備了六方晶系結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸約為50 nm的納米球形CdS，其帶寬約為2.2eV（ 圖1 a ）。隨后，在可見光催化C-N偶聯(lián)反應過程中加入PdCl2溶液原位合成單原子催化劑CdS-Pd SAs。作為對比，我們采用浸漬法制備了Pd納米顆粒負載的CdS催化劑CdS-Pd NPs。從圖1b的XPS圖譜可以看出，光催化反應后的CdS中事實上存在Pd元素。結(jié)合能336.7 eV和342 eV分別對應Pd 3d5/2和Pd 3d3/2，表明Pd以2+價態(tài)形式存在，而非單質(zhì)態(tài)。因此，我們可以初步推測反應后，Pd與CdS進行了一定的配位。

圖1 CdS和CdS-Pd SAs單原子催化劑的結(jié)構(gòu)表征

為了進一步確定反應后Pd的狀態(tài)以及與CdS的配位環(huán)境，我們對樣品分別進行了X射線精細結(jié)構(gòu)譜（XAFS）和球差電鏡的表征。從圖3d可以明顯看出反應后的CdS表面上的Pd物種既不是二價態(tài)也不是單質(zhì)態(tài)，而是以一定配位的形式存在。通過對樣品CdS-Pd SAs中Pd的K-edge EXAFS圖譜進行擬合，可以得出Pd-S的配位數(shù)約為3（ 表1 ）。通過進一步的HAADF-STEM和 EDS mapping圖可以清晰地看到Pd以單原子形式均勻地分散在CdS上（ 圖1 e-j ）。因此，綜合上述表征方法，我們可以初步證實在光催化反應過程中，PdCl2以Pd-S配位鍵的形式將Pd原子錨定在了CdS載體上，為光催化反應過程提供一定的反應活性中心。

表1 樣品CdS-PdSAs中Pd的EXAFS擬合數(shù)據(jù)

CN , coordination number; R , bonding distance; σ 2, Debye-Waller factor; Δ E0 , inner potential shift.

為了進一步研究CdS表面的S對催化反應的影響，我們首先對CdS進行了不同程度的表面修飾（400 oC高溫煅燒：CdS-400；雙氧水表面腐蝕：CdS-H2O2）。從圖2 a可以看出，采用不同的手段修飾后，CdS的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化，仍然是結(jié)晶度較好的六方晶系結(jié)構(gòu)。CdS、CdS-400和CdS-H2O2的能帶分別為2.21、2.12和2.2 eV，即能帶結(jié)構(gòu)也未發(fā)生明顯變化（ 圖2 b ）。從圖2 c和d可以明顯看出， CdS通過表面修飾之后，Cd 3d和S 2p均向高結(jié)合能偏移，而且偏移程度隨著修飾強度增強而增大。這主要是由于CdS修飾后產(chǎn)生了一定的S空位，使得表面部分Cd暴露，從而改變了Cd和S的周邊電子云密度分布。

圖2 修飾前后的CdS結(jié)構(gòu)表征

在常溫常壓氮氣氣氛下，我們采用苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)作為模型反應對所制備的催化劑進行可見光催化活性評價（ 圖3 ）。首先我們確定了暗反應、無光催化劑以及只有PdCl2的情況下該模型反應沒有任何催化活性。在添加PdCl2的條件下，我們對不同的半導體光催化劑進行了活性篩選，發(fā)現(xiàn)只有CdS能有效地進行光催化C-N偶聯(lián)生成二級胺（N-芐基苯胺），產(chǎn)率高達1.48 mmolgcat-1h-1。而其他半導體催化劑在反應過程中只能催化生成亞胺（N-芐烯苯胺），且普遍產(chǎn)率較低（< 0.12 mmolgcat-1h-1）。

圖3 可見光催化C-N偶聯(lián)反應的催化劑活性篩選

基于CdS對該反應的催化特異性，我們測試了其苯胺的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物的選擇性隨時間的變化曲線。從圖4b可以看出，隨著反應的進行，苯胺的轉(zhuǎn)化率不斷提高，當反應達到16 h后，底物苯胺幾乎完全轉(zhuǎn)化。隨著反應的進行，亞胺（N-芐烯苯胺）的選擇性不斷降低，而二級胺（N-芐基苯胺）的選擇性不斷提高，表明反應過程中逐步完成了亞胺的加氫過程。

為了進行對比，我們采用浸漬法提前將Pd納米顆粒沉積到CdS表面上并進行光催化活性評價。從圖4c我們發(fā)現(xiàn)，沉積Pd納米顆粒的CdS催化活性是單一CdS活性的4倍。這主要是由于Pd納米顆粒作為助催化劑可以有效地提高光生載流子的分離效率。而當我們將Pd以PdCl2的形式加入到反應體系中時，催化活性是單一CdS活性的約6.4倍。而且產(chǎn)物中出現(xiàn)了二級胺（N-芐基苯胺）。也就是說反應體系中原位加入PdCl2能夠促使該反應完成加氫過程，有效實現(xiàn)氫轉(zhuǎn)移。因此，我們可以初步推斷，光催化反應過程中Pd和CdS表面懸掛的S作用產(chǎn)生的Pd-S物種對實現(xiàn)C-N偶聯(lián)起到至關(guān)重要的作用。此外，在反應過程中我們可以檢測到氫氣的生成。從圖4d可以看出，單一的CdS在反應過程中幾乎不產(chǎn)生氫氣。而CdS-Pd SAs產(chǎn)氫速率達到11.8 mmolgcat-1h-1，是CdS-Pd NPs的約2.7倍，CdS的近10倍。這一結(jié)果也與苯胺轉(zhuǎn)化率的差異相吻合。

為了驗證CdS表面的S與Pd作用形成了Pd-S物種，從而提高了C-N偶聯(lián)反應性能，我們對CdS進行了不同程度的表面修飾。從圖4e可以明顯看出，隨著表面修飾的增強，反應的活性逐漸下降，而且產(chǎn)物芐基苯胺的選擇性也隨之下降。這也就意味著，當我們遮蓋或者去除部分S位點，反應底物在催化劑表面的吸附性能下降，從而導致反應活性降低。另一方面，由于S空位的增多，使得Pd原子很難與S進行配位產(chǎn)生Pd-S物種，從而無法完成C-N偶聯(lián)反應過程中的氫轉(zhuǎn)移，也就不能得到飽和的目標產(chǎn)物二級胺N-芐基苯胺。

圖4 可見光催化活性評價

為了研究在光催化反應過程中不同自由基的作用，我們進行了捕獲實驗。從圖5a可以看出，當體系中加入叔丁醇和苯醌來分別捕獲•OH和•O2-，反應的活性基本沒有發(fā)生變化，說明體系中的這兩種自由基對反應基本沒有貢獻。而當體系中加入草酸銨捕獲光生空穴后，產(chǎn)率降為原來的1/3，加入過硫酸鉀捕獲光生電子后，產(chǎn)率降為0。這一結(jié)果表明，光生電子和空穴在光催化C-N偶聯(lián)反應中有著重要作用。

接著，我們采用超快光譜（TAS）來揭示光照下不同催化劑的載流子衰減動力學。圖5b為不同催化劑的瞬態(tài)吸收圖譜以及擬合曲線。采用雙指數(shù)模型擬合可獲得兩個弛豫時間τ1和τ2。Τ1代表導帶電子到過渡態(tài)的捕獲時間，τ2代表電子與過渡態(tài)或者價帶空穴復合的時間。通過對比，CdS-Pd Sas的弛豫時間明顯要長，也就是說，在反應過程中CdS表面單原子態(tài)的Pd配位物種Pd-Sx可以作為電子陷阱來捕獲光生電子，提高載流子的分離效率，從而加速光催化C-N偶聯(lián)。另外，從CdS導帶轉(zhuǎn)移到過渡態(tài)Pd-Sx中間體的弛豫時間更長，更利于氫原子的吸附。

為了研究不同催化劑對于H的吸附以及轉(zhuǎn)移能力，我們做了一個N-芐烯苯胺加氫的模型反應。從圖5c可以明顯看出，對于單原子態(tài)的CdS-Pd SAs催化劑，N-芐烯苯胺較容易實現(xiàn)光催化加氫到芐基苯胺產(chǎn)物，而單質(zhì)態(tài)的Pd（CdS-Pd NPs）催化劑無法實現(xiàn)加氫過程。這也證明了單原子態(tài)的CdS-Pd SAs可以很好地吸附H并完成氫轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)加氫過程得到二級胺N-芐基苯胺。

基于以上的機理表征分析，我們可以給出一個可能的反應機理和路徑（ 圖5d ）。光催化反應前，當體系中同時加入CdS催化劑和PdCl2時，PdCl2很快吸附到CdS表面上與表面懸掛的S原子形成Pd-Sx的配位物種。當CdS被光激發(fā)后，表面的Pd-Sx配位物種可以有效捕獲光生電子，形成•Pd-Sx中間態(tài)物種，同時光生空穴能夠脫去苯甲醇上的質(zhì)子，將其氧化成苯甲醛。然后生成的苯甲醛與苯胺進行親核加成反應，產(chǎn)生醇胺中間體。由于醇胺非常不穩(wěn)定，很快脫水生成亞胺。苯甲醇上脫去的H+較容易吸附到長壽命的•Pd-Sx中間態(tài)物種形成H-Pd-Sx。最后，吸附的H又容易脫附，加成到N-芐烯苯胺的N上，實現(xiàn)氫轉(zhuǎn)移，完成亞胺的加氫過程，得到最后的目標產(chǎn)物N-芐基苯胺。整個過程中，H的吸脫附可以循環(huán)進行，因此Pd-Sx物種可以作為有效的氫轉(zhuǎn)移的橋梁實現(xiàn)加氫過程。此外，過多的吸附H可以從H-Pd-Sx上脫附產(chǎn)生H2。

圖5 反應機理表征及推測

我們通過DFT模擬計算進一步驗證了為什么單原子態(tài)的CdS催化劑CdS-Pd SAs可以很好地實現(xiàn)光催化C-N偶聯(lián)生成N-芐基苯胺（ 圖6 ）。結(jié)合EXAFS擬合結(jié)果，我們以Pd-S三配位的形式作為計算模型來研究H吸附和反應過程。對于催化劑CdS-Pd NPs來說，在位點1和2的H吸附能分別為-2.801 eV和-2.936eV，而催化劑CdS-Pd SAs的H吸附能為-1.954 eV。通過過渡態(tài)能量搜索，可以得出，Pd納米顆粒負載的CdS-Pd NPs的加氫能壘為0.38 eV，而對于單原子態(tài)的CdS-Pd SAs來說，由于形成的Pd-Sx配位物種能夠有效地吸附和脫附H，因此脫附的H直接加成到亞胺的不飽和C上，完成加氫過程。

圖6 DFT模擬計算

總結(jié)與展望

總的來說，我們設(shè)計開發(fā)了一種CdS-Pd單原子光催化劑，該催化劑可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)反應，獲得具有工業(yè)應用價值的二級胺。同時反應過程中釋放出清潔能源氫氣。結(jié)合實驗以及模擬計算，我們推測Pd在光催化反應過程中與CdS表面的S原位配位形成Pd-Sx中間物種，而這一中間體可以提高載流子分離效率以及有效地進行H的吸脫附，構(gòu)成Pd-Sx •Pd-Sx H-Pd-Sx Pd-Sx的循環(huán)過程，實現(xiàn)氫轉(zhuǎn)移，完成亞胺的加氫過程，得到目標產(chǎn)物N-芐基苯胺。整個過程中，Pd-Sx中間體可以作為有效氫轉(zhuǎn)移的橋梁實現(xiàn)加氫過程。此外，該催化劑體系具有較好循環(huán)能力和底物適應性。這一工作將為溫和條件下實現(xiàn)C-N偶聯(lián)反應提供一種新的思路。

作者介紹

鈕峰 ，博士畢業(yè)于法國里爾大學（法國國家科學研究中心）（導師Andrei Khodakov教授和Vitaly Ordomsky研究員）。2020年8月加入香港中文大學（深圳）鄒志剛院士團隊從事博士后研究。以第一作者在ACS Catalysis，Green Chemistry，Solar Energy Materials & Solar Cells等期刊上發(fā)表SCI論文12篇。目前主要研究方向為多相熱催化、光催化能源轉(zhuǎn)化。

涂文廣 ，2015年獲南京大學物理學院博士學位。2015至2020年在新加坡南洋理工大學從事研究博士后研究工作。2020年6月起任職于香港中文大學（深圳）理工學院。主要從事于低維光電材料表界面結(jié)構(gòu)的精準設(shè)計與構(gòu)建，實現(xiàn)太陽能驅(qū)動下的小分子轉(zhuǎn)換，取得了一系列重要成果，迄今為止已在Nature Communications, Advanced Material, Advanced functional Material, ACS Catalysis, ACS Energy Letters等期刊上發(fā)表論文70余篇, SCI被引超過8000次，H指數(shù)為44。

周勇 ，香港中文大學（深圳）兼職教授。2009 年9月被南京大學物理學院按海外人才引進回國工作，加入南京大學環(huán)境材料與再生能源研究中心，聘為教授。主要從事：1、人工光合成二氧化碳轉(zhuǎn)化為可再生碳氫燃料；2、光電材料的設(shè)計和構(gòu)建；3、高效、低成本鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化應用研究。近五年來，以第一作者或通訊作者在 國際重要期刊上發(fā)表論文超過 60 篇，其中包括 J. Am. Chem. Soc. (1 篇)、Adv. Mater. (2 篇)、Adv. Funct. Mater. (1 篇)和 Nano Lett. (1 篇)，受邀以第一作者或通訊作者撰寫 2 篇綜述論文。近五年論文他引超過 1600 次，5 篇論文入選 Web of Science 統(tǒng)計的“過去十年高被引論文”, H 指數(shù) 46。光催化還原 CO2 研究成果作為主要研究內(nèi)容，榮獲 2014 年國家自然科學二等獎(排名第四)。主編三本英文專著（Springer 等出版社出版）。多次受邀在國內(nèi)外相關(guān)學術(shù)會議上做邀請報告或主持會議。擔任 Current Nanoscience 中國地區(qū)編輯和 Mater. Res. Bull.編委。主持承擔國家基金委、 科技 部 973 項目等項目。入選教育部新世紀人才（2010 年）、江蘇省首屆杰出青年基金(2012年)。

鄒志剛 ，2003年憑為教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目首席科學家，教育部創(chuàng)新團隊帶頭人，2015 年當選中國科學院院士，2018 年當選發(fā)展中國家科學院院士。主要從事新型可再生能源與環(huán)境材料方面的研究，鄒院士在光催化領(lǐng)域做出了卓越的貢獻，被媒體稱為“光催化領(lǐng)域的前行者”。鄒志剛院士已在 Nature等國際一流期刊上發(fā)表論文 602 多篇，H指數(shù) 74，連續(xù) 5年入選愛思唯爾材料科學高被引學者，是材料領(lǐng)域有國際影響力的學術(shù)帶頭人。申請中國發(fā)明專利 200 多項，其中 83 項已獲授權(quán)；承擔兩屆國家重大基礎(chǔ)研究計劃 973 項目、國家自然科學基金中日合作項目、 科技 部國際合作重大項目等多項科研項目；獲國家自然科學二等獎 1 項、江蘇省科學技術(shù)一等獎 2 項，作為第一完成人獲第 46 屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎及阿卜杜拉國王大學特別獎各 1項。

三、神奇的光觸媒（一）

二十世紀七十年代開始，日益加劇的環(huán)境問題和能源危機嚴重制約著國家的發(fā)展與進步，能源問題已經(jīng)引起了全球范圍的關(guān)注。民用、商業(yè)以及工業(yè)制造都 面臨著嚴峻的環(huán)境污染問題，環(huán)境污染問題已經(jīng)成了國家和國際優(yōu)先解決的問題。

為了人類的可持續(xù)發(fā)展，新能源材料的研發(fā)成了解決環(huán)境問題、能源危機的主要 研究方向。研究清潔能源、可持續(xù)發(fā)展能源、新型能源已經(jīng)成為了能源供應的緊迫任務。

各種各樣的綠色能源和可持續(xù)能源技術(shù)高速發(fā)展的背景下，半導體光催化技術(shù)因為其自身的優(yōu)勢，包括可直接利用太陽光、自清潔性以及常量豐富等優(yōu)點已經(jīng)成為了一種最有前景的綠色能源技術(shù)。

目前，去除室內(nèi)有毒氣體主要的方式為活性炭吸附以及半導體光催化降解技術(shù)，而光催化技術(shù)由于具有工藝簡單、 能耗低、操作簡單、光催化降解效率高、無毒無二次污染等優(yōu)點,廣泛應用于環(huán)境水污染處理、室內(nèi)空氣污染治理和工業(yè)廢氣處理等領(lǐng)域。光催化已經(jīng)廣泛應用于催化水產(chǎn)氫、光催化降解有機污染物、光電轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。

眾所周知催化劑是加快參與物發(fā)生反應的一種媒介。最常見的天然催化劑即植物中的葉綠素，可以在光照作用下發(fā)生光合作用，而本身并不參與反應。光觸媒即光催化劑，在有光存在下，可催化氧化有機物，而本身不發(fā)生消耗。

二氧化鈦是光觸媒材料中的一種，也是典型的代表，被認為是最有發(fā)展前景的光催化材料，為此，各國科學獎在上世紀60年代起即對其開展了各領(lǐng)域的應用研究。但二氧化鈦的能帶結(jié)構(gòu)決定其吸光范圍，禁帶寬度 3.2eV,因此只有波長小于 387.5 nm 的紫外光才能被二氧化鈦吸收。并且，紫外光只占太陽光的5%左右，利用率低，導致傳統(tǒng)的光觸媒材料光催化活性低，使用局限性大。

因此，二氧化鈦的改性技術(shù)應運而生，改善二氧化鈦的物理化學性質(zhì)，降低其禁帶寬度，提高其光催化性能是非常必要的。研究表明，通過對半導體材料形貌改變、貴金屬 沉積、摻雜、光敏化、表面修飾以及與其他半導體形成異質(zhì)結(jié)等方式，可有效提 高二氧化鈦在可見光范圍的光光吸收，達到提高光催化性能的目的。叁素采用了還原石墨烯為載體的釩摻雜改性技術(shù)，大大降低了二氧化鈦的禁帶寬度，其光吸收波長已由原來的387.5nm移動到530nm以下，在可見光、弱光下也具有較強的催化氧化活性。光催化消除環(huán)境污染的應用目前主要集中在幾個方面：

1.大氣中有機物的光降解

近年來空氣中有害物質(zhì)的去除引起了人們的關(guān)注。由于大部分空氣污染物 (如醛、酮、醇等)是可氧化的，因此用氧化法去除是可行的。去除空氣中污染物常用的多相催化氧化法大都需要在較高溫度下進行，而光催化能在室溫下利用空氣中的水蒸氣和氧氣去除空氣污染物。利用光觸媒噴液在光照條件下可將空氣中的有機物分解為二氧化鈦、水和相應的有機酸。

目前，國內(nèi)外學者對烯烴、醇、酮、醛、芳香族化合物、有機酸、胺、有機復合 物、三氯乙烯等氣態(tài)有機物的Ti02光催化降解進行了研究，其量子效率(反應速率，入射光密度)是降解水溶液中同樣有機物的10倍以上。另外，在光觸媒噴液光催化反應中，一些芳香族化合物的光催化降解過程往往伴隨著各種中間產(chǎn)物的生成，有些中間產(chǎn)物具有相當大的毒性，從而使芳香族化合物不適于液相光催化反應過程，如水的凈化處理。但在氣相光催化反應中，只要生成的中間產(chǎn)物揮發(fā)性不大，就不會從光觸媒噴液表面脫離進入氣相，造成新的污染，而是進一步氧化分解，最終生成二氧化碳和水。

2. 抗菌

光觸媒噴液光催化作用對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等有抑制繁殖和殺滅作用。當細菌吸附于光催化劑表面時，活性氧和羥基自由基能穿透細菌的細胞壁，進入菌體，阻止成膜物質(zhì)的傳輸，阻斷其呼吸系統(tǒng)和電子傳輸系統(tǒng)，從而有效地殺滅細菌。

一般常用的殺菌劑銀、銅等能使細胞失去活性，但細菌被殺死后，可釋放出致熱 和有毒的組分如內(nèi)毒素。而光觸媒光催化劑不僅能殺死細菌，而且同時降解由細菌釋放出的有毒復合物。即光觸媒光催化劑不僅能消減細菌的生命力，而且能攻擊細菌的外層細胞，穿透細胞膜，破壞細菌的細胞膜結(jié)構(gòu)，從而徹底地殺滅細菌。對于抗青霉素的金黃色葡萄球菌，光觸媒存在條件下，熒光燈照射1小時后，其去除率可達99％以上。在醫(yī)院病房、 手術(shù)室及生活空間，細菌密集場所安放光觸媒光催化劑后，空氣中浮游的細菌數(shù)可降低90％左右。

3.光催化降解廢水

用光觸媒噴液光催化處理含有機污染物的廢水被認為是最有前途、最有效的處理手段之一，其方法簡單，在常溫常壓下，即可分解水中的有機污染物，而且沒有二次 污染。費用不高。至今已知，該方法能處理80余種有毒化合物，可以將水中的鹵代 脂肪烴、鹵代芳烴、有機酸類、染料、硝基芳烴、取代苯胺、多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物、 烴類、酚類、表面活性劑、農(nóng)藥、木材防腐劑和燃料油等，有效的進行光催化反應除 毒、脫色、礦化、分解為二氧化碳和水，最終消除對環(huán)境的污染。 水中其他有機污染物如鹵代脂肪烴、鹵代芳香烴、鹵代脂肪酸、多環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物、含氮化合物化等是各國優(yōu)先控制的有害質(zhì)，這類物質(zhì)經(jīng)光觸媒催化分解，過程中一般都先羥基化、再脫鹵、逐步降解，直至成為含氫和氧等的簡單無機物。

4.空氣中氮氧化物以及氨的光催化去除

氮氧化物是大氣中主要的氣態(tài)污染物之一．它的主要來源是礦物燃料的燃燒。燃燒過程中，在高溫情況下，空氣中的氮與氧化合而生成氮氧化物，其中主要的是一氧化氮。一氧化氮通過氧化反應也可以在大氣中生成氣態(tài)硝酸，形成酸雨和酸霧后，對地表水、土壤、森林、植被等造成嚴重的危害。利用光觸媒噴液和空氣中氧氣可直 接實現(xiàn)氮氧化物的光催化氧化。目前，日本已利用氟樹脂、光觸媒噴液等開發(fā)出抗剝離光催化薄板，12小時后薄板表面的氮氧化物去除率可達90％以上。

5.除臭

空氣中惡臭氣體主要有五種：①含硫化合物，如硫化氫、二氧化硫、硫醇類、硫醚類等；②含氮化合物，如胺類、酰胺等；③鹵素及其衍生物，如氯氣、鹵代烴等；④烴類，如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等；⑤含氧的有機物，如醇、酚醛、酮、有機酸等。

四、zns和cds光催化活性哪個高

光催化材料是由CeO2（70%-90%） ZrO2（30%-10%）組成，形成ZrO2穩(wěn)定CeO2的均勻復合物，外觀呈淺黃色，具有納米層狀結(jié)構(gòu)，在 1000℃ 經(jīng)4小時老化后，比表面仍較大（>15M# G），因此高溫下也能保持較高的活性。

用途:適用于高溫催化材料,如汽車尾氣催化劑 技術(shù)背景——能源危機和環(huán)境問題

人類目前使用的主要能源有石油、天然氣和煤炭三種。根據(jù)國際能源機構(gòu)的統(tǒng)計，地球上這三種能源能供人類開采的年限，分別只有40年、50年和240年。值得注意的是，中國剩余可開采儲蓄僅為1390億噸標準煤，按照中國2003年的開采速度16.67億噸/年，僅能維持83年。中國石油資源不足，天然氣資源也不夠豐富，中國已成為世界第二大石油進口國。因此，開發(fā)新能源，特別是用清潔能源替代傳統(tǒng)能源，迅速地逐年降低它們的消耗量，保護環(huán)境改善城市空氣質(zhì)量早已經(jīng)成為關(guān)乎社會可持續(xù)發(fā)展的重大課題。中國能源發(fā)展方向可以鎖定在前景看好的五種清潔能源: 水電、風能、太陽能、氫能和生物質(zhì)。

太陽能不僅清潔干凈，而且供應充足，每天照射到地球上的太陽能是全球每天所需能源的一萬倍以上。直接利用太陽能來解決能源的枯竭和地球環(huán)境污染等問題是其中一個最好、直接、有效的方法。為此，中國政府制定實施了“中國光明工程”計劃。模仿自然界植物的光合作用原理和開發(fā)出人工合成技術(shù)被稱為“21世紀夢”的技術(shù)。它的核心就是開發(fā)高效的太陽光響應型半導體光催化劑。目前國內(nèi)外光催劑的研究多數(shù)停留在二氧化鈦及相關(guān)修飾。盡管這些工作卓有成效，但是在規(guī)?；锰柲芊矫孢€遠遠不夠。因此搜尋高效太陽光響應型半導體作為新型光催化劑成為當前此領(lǐng)域最重要的課題。

二， 光催化材料的基本原理

半導體在光激發(fā)下，電子從價帶躍遷到導帶位置，以此，在導帶形成光生電子，在價帶形成光生空穴。利用光生電子-空穴對的還原氧化性能，可以降解周圍環(huán)境中的有機污染物以及光解水制備H2和O2。

高效光催化劑必須滿足如下幾個條件： （1）半導體適當?shù)膶Ш蛢r帶位置，在凈化污染物應用中價帶電位必須有足夠的氧化性能，在光解水應用中，電位必須滿足產(chǎn)H2和產(chǎn)O2的要求。（2）高效的電子-空穴分離能力，降低它們的復合幾率。（3）可見光響應特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太陽光能的4%，如何利用可見光乃至紅外光能量，是決定光催化材料能否在得以大規(guī)模實際應用的先決條件。常規(guī)anatase-type TiO2 只能在紫外光響應，雖然通過攙雜改性，其吸收邊得以紅移，但效果還不夠理想。 因此，開發(fā)可見光響應的高效光催化材料是該領(lǐng)域的研究熱點。只是，現(xiàn)在的研究狀況還不盡人意。

三， 光催化材料體系的研究概況

從目前的資料來看，光催化材料體系主要可以分為氧化物，硫化物，氮化物以及磷化物

氧化物：最典型的主要是TiO2及其改性材料。目前，絕大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d區(qū)， 研究的比較多的是含Ti，Nb，Ta的氧化物或復合氧化物。其他的含W，Cr，F(xiàn)e，Co，Ni，Zr等金屬氧化物也見報道。個人感覺，d區(qū)過渡族金屬元素氧化物經(jīng)過炒菜式的狂轟亂炸后，開發(fā)所謂的新體系光催化已經(jīng)沒有多大潛力。目前，以日本學者J. Sato為代表的研究人員，已經(jīng)把目光鎖定在p區(qū)元素氧化物上，如含有Ga，Ge，Sb，In，Sn，Bi元素的氧化物。

硫化物：硫化物雖然有較小的禁帶寬度，但容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，較氧化物而言，穩(wěn)定性較差。主要有ZnS，CdS等

氮化物：也有較低的帶系寬度，研究得不多。有Ta／N，Nb／N等體系

磷化物：研究很少，如GaP

按照晶體/顆粒形貌分類：

（1）層狀結(jié)構(gòu)

**半導體微粒柱撐于石墨及天然/人工合成的層狀硅酸鹽

**層狀單元金屬氧化物半導體如：V2O5，MoO3，WO3等

**鈦酸，鈮酸，鈦鈮酸及其合成的堿（土）金屬離子可交換層狀結(jié)構(gòu)和半導體微粒柱撐于層間的結(jié)構(gòu)

**含Bi層狀結(jié)構(gòu)材料，(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba，Bi，Pb；B=Ti，Nb，W)，鈣鈦礦層 (An-1BnO3n+1)2-夾在(Bi2O2)2+層之間。典型的有：Bi2WO6，Bi2W2O9，Bi3TiNbO9

**層狀鉭酸鹽：RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm)

（2）通道結(jié)構(gòu)

比較典型的為BaTi4O9，A2Ti6O13（A=K，Na，Li，等）。這類結(jié)構(gòu)往往比層狀結(jié)構(gòu)材料具有更為優(yōu)異的光催化性能。研究認為，其性能主要歸咎于金屬-氧多面體中的非對稱性，產(chǎn)生了偶極距，從而有利于電子和空穴分離

（3）管狀結(jié)構(gòu)：在鈦酸鹽中研究較多

（4）晶須或多晶一維材料

經(jīng)由VLS，VS，LS（如水熱合成，熔鹽法）機制可制備一維材料；

液相合成中的軟模化學法制備介孔結(jié)構(gòu)的多晶一維材料

對于該種行貌的材料，沒有跡象表明，其光催化性能得以提高

（5）其他形狀復雜的晶體或粉末顆粒

最典型的是ZnO材料，根據(jù)合成方法不同，其行貌也相當豐富

四，提高光催化材料性能的途徑

（1）顆粒微細納米化

降低光生電子-空穴從體內(nèi)到表面的傳輸距離，相應的，它們被復合的幾率也大大降低。

（2）過度金屬摻雜和非金屬摻雜

金屬：摻雜后形成的雜質(zhì)能級可以成為光生載流體的捕獲阱，延長載流子的壽命。Choi以21種金屬離子對TiO2光催化活性的影響，表明Fe3+，Mo5+，Re5+，Ru3+，V4+，Rh4+能夠提高光催化活性，其中Fe3+的效果最好。具有閉殼層電子構(gòu)型的金屬離子如Li+，Al3+，Mg2+，Zn2+，Ga2+，Nb5+，Sn4+對催化性影響甚微

非金屬：TiO2中N，S，C，P，鹵族元素等

對于摻雜，個人的認識，其有如下效應：

**電價效應：不同價離子的摻雜產(chǎn)生離子缺陷，可以成為載流子的捕獲阱，延長其壽命；并提高電導能力

**離子尺寸效應：離子尺寸的不同將使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的畸變，晶體不對性增加，提高了光生電子-空穴分離效果

**摻雜能級：摻雜元素電負性大小的不同，帶隙中形成摻雜能級，可實現(xiàn)價帶電子的分級躍遷，光響應紅移

（3）半導體復合

利用異種半導體之間的能帶結(jié)構(gòu)不同，復合后，如光生電子從A粉末表面輸出，而空穴從B表面導出。也即電子和空穴得到有效分離

（4）表面負載

將半導體納米粒子固定技術(shù)在不同的載體上（多孔玻璃、硅石、分子篩等）制備分子或團簇尺寸的光催化劑。

（5）表面光敏

利用具有較高重態(tài)的具有可見光吸收的有機物，在可見光激發(fā)下，電子從有機物轉(zhuǎn)移到半導體粉末的導帶上。該種方法不具有實用性，一方面，有機物的穩(wěn)定性值得質(zhì)疑；另一考慮的是經(jīng)濟因素

（6）貴金屬沉積

貴金屬：Pt, Au, Pd, Rh,

Ni, Cu, Ag,等

（7）外場耦合

熱場，電場，磁場，微波場，超聲波場

目前，研究較多的是電場效應。其他場的研究也不少見，效果一般，更多的是從工藝層次來說明效果，所謂理論的東西不多

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