光催化：環境淨化與綠色能源套用探索

《光催化：環境淨化與綠色能源套用探索》是2015年1月化學工業出版社出版的圖書，作者是朱永法、姚文清、宗瑞隆。

基本介紹

• 書名：光催化：環境淨化與綠色能源套用探索 
• 作者：朱永法、姚文清、宗瑞隆 著 
• ISBN：978-7-122-21155-2 
• 頁數：524頁 
• 定價：￥188.0元 
• 出版社：化學工業出版社 
• 出版時間：2015年1月 
• 裝幀：精 
• 開本：16K　787×1092　1/16 

內容簡介

本書基於作者們在光催化領域的多年積累，以光催化的發展歷史、光催化基本原理作為基礎，重點探討了各種光催化材料的製備、性能及套用，其中包括經典的二氧化鈦納米材料的製備、改性、複合、雜化以及光電協同催化性能等，同時深入介紹了可見光催化劑，包括複合氧化物及其改性研究方面的新發展，還詳細介紹了光催化材料物性表征的各種手段，以及光催化機理和光催化性能的表征技術和方法。書中介紹的很多內容是作者研究組的研究成果，反映了該領域的前沿和研究關注的問題。本書內容豐富，素材翔實，層次分明，可作為高等院校化學和材料專業及相關專業學生的課外讀物，對從事光催化材料製備和套用研究的科研工作者具有重要的參考價值。

前言

21世紀人類社會發展迅猛，在科技和人文方面都獲得了長足的進步，但是當代資源和生態環境問題也日益突出，向人類提出了嚴峻的挑戰。可持續發展已經成為現代社會必須選擇的道路，而其面臨的兩大挑戰是能源問題和環境問題。太陽能作為一種可再生能源，具有資源豐富、廉價、清潔的特點，其既可免費使用，又無須運輸，對環境無任何污染，是實現人類社會可持續發展的基礎。因此，如何高效地利用、轉化與儲存太陽能是21世紀科學研究中的重要課題。

自1972年HondaFujishima效應即TiO2半導體電極的光催化分解水現象發現以來，半導體光催化領域得到了廣泛的關注和飛速的發展，這一技術為我們提供了一種理想的能源利用和治理環境污染的方法。為了揭示該過程的機理和提高TiO2的光催化效率，40多年來，物理、化學以及材料等領域的科學家們進行了大量的研究工作，但前期工作大多只是涉及新能源的開發(太陽能電池)和化學儲能(光解水)。光催化在環境保護與治理上的套用研究始於20世紀70年代後期，Cary和Bard利用TiO2懸浮液，在紫外光照射下降解多氯聯苯和氰化物獲得成功，被認為是光催化在消除環境污染物方面的首創性研究工作。80年代初，多相光催化在消除空氣和水中的有機污染物方面取得重要進展，成為多相光催化一個重要的套用領域。環境友好光催化技術作為環保新技術，其實用化的研究開發受到廣泛的重視。世界上許多國家投入了大量的資金和研究力量從事光催化功能材料及相應技術的研究及開發，涉及光催化消除環境污染物的研究報導日益增多。目前，光催化環境友好套用研究領域的發展十分迅速，如光催化礦化方面的研究已套用在水或空氣中存在的主要有機污染物，例如致癌類鹵化物、農藥及其它有毒有機物的降解和去除中。

本書從光催化理論、光催化材料、光催化技術以及光催化套用等多個方面對光催化進行了深入的探討。在簡單介紹了光催化發展歷史和基本原理的基礎上，本書重點講解了光催化材料及其性能，除了經典的TiO2光催化劑，還介紹了新型複合氧化物光催化劑，同時探討了光電協同作用、表面雜化作用等對於光催化性能提高的機理及實例，以及光催化材料性能的理論計算方法。除此之外，還詳細介紹了在光催化研究中非常重要的表征技術，包括光催化材料的表征手段以及光催化性能的評價方法。最後，介紹了光催化材料在環境以及能源等領域的套用。

本書是作者所在課題組20年來在光催化領域研究的總結，重點關注於光催化材料研究及其在環境領域的套用，但由於目前光催化研究及其相關技術發展非常迅速，作者水平和知識面有限，本書如有不當之處還懇請廣大讀者批評指正。

朱永法2014年6月

目錄

第1章光催化基礎1

1.1光催化的歷史1

1.1.1光催化現象的發現1

1.1.2能源危機帶來的發展機遇1

1.1.3環境危機帶來的機遇2

1.1.4超級細菌和流行病毒的新對策2

1.2光催化基本概念3

1.2.1光催化劑和光催化反應3

1.2.2固體能帶結構3

1.2.3光生電子、光生空穴和複合中心3

1.3光催化的套用領域4

1.3.1環境淨化套用4

1.3.2微生物殺菌淨化5

1.3.3表面自清潔淨化5

1.3.4能源催化套用6

1.4光催化的發展趨勢6

1.4.1新型光催化材料探索7

1.4.2光催化過程活性和能效的提高7

1.4.3光催化實際套用拓展7

1.4.4光催化技術的前景7

參考文獻8

第2章光催化原理9

2.1光催化反應的基元過程9

2.1.1光催化反應過程9

2.1.2反應過程的影響因素12

2.1.3從基元過程到探索高能效和高活性光催化劑的新思路15

2.2半導體能帶理論18

2.2.1能帶理論18

2.2.2帶邊位置18

2.2.3量子尺寸效應19

2.2.4電荷的傳輸與陷阱20

2.2.5空間電荷層和能帶彎曲20

2.2.6電荷界面轉移過程20

2.2.7光化學腐蝕反應21

2.3半導體的光學性質21

2.3.1光的吸收波長21

2.3.2光吸收的強度22

2.3.3光與光催化劑的相互作用——光物理過程與化學過程22

2.4光子激發與電荷遷移過程22

2.4.1光子激發過程22

2.4.2光生空穴和電子的分離、遷移、複合過程22

2.5表面吸附和反應23

2.6光催化與納米材料24

2.6.1納米尺度與光吸收24

2.6.2納米尺度與分離效率24

2.6.3納米尺度與表面活性24

2.7光催化氧化反應機理25

2.7.1光催化氧化模型25

2.7.2超氧自由基降解機理25

2.7.3羥基自由基降解機理25

2.7.4空穴直接氧化降解機理27

2.7.5氣相體系的光催化反應原理27

2.7.6液相體系的光催化反應原理27

2.8光催化殺菌原理28

2.9光催化自清潔原理28

2.10光催化太陽能轉換原理30

2.10.1光解水制氫原理30

2.10.2染料敏化太陽能電池30

2.10.3CO2的光還原原理32

2.11光催化反應活性的影響因素32

2.11.1光催化劑的晶型和晶面33

2.11.2光催化劑的結晶性33

2.11.3比表面積及其吸附作用34

2.11.4pH值的影響34

2.11.5反應溫度的影響34

2.12光催化反應動力學過程35

參考文獻35

第3章TiO2光催化材料可控合成39

3.1TiO2光催化材料的晶體結構和性能39

3.1.1TiO2的晶體結構39

3.1.2TiO2的電子結構40

3.1.3TiO2的光學特性40

3.1.4TiO2的理論設計40

3.1.5能帶結構的理論計算40

3.1.6能帶結構的調控40

3.2TiO2光催化材料的可控合成40

3.2.1氣相法製備TiO241

3.2.2液相法製備TiO244

3.2.3醇解法製備TiO2納米粉體光催化劑47

3.3TiO2納米管結構的控制合成54

3.3.1模板法54

3.3.2水熱法54

3.3.3陽極氧化法55

3.4TiO2纖維的製備方法56

3.4.1鈦酸酯晶須脫鹼法56

3.4.2溶膠凝膠法57

3.4.3水熱法及溶劑熱法59

3.4.4其它製備方法59

3.5核殼結構TiO2的控制合成59

3.5.1TiO2作為核的核殼體系60

3.5.2TiO2作為殼層的核殼體系61

3.5.3TiO2作為核殼結構載體的體系62

3.6介孔結構TiO2的合成62

3.6.1模板劑方法62

3.6.2鈦酸酯十八胺法製備中孔納米TiO2粉體63

3.6.3P123製備納米TiO2介孔材料64

3.7可見光回響納米TiO2光催化材料的合成64

3.7.1金屬離子摻雜65

3.7.2非金屬元素摻雜66

3.7.3非金屬元素的單質摻雜66

3.7.4非金屬元素的共摻雜68

3.7.5離子注入68

3.7.6表面光敏化69

3.7.7表面雜化71

3.8TiO2光催化材料的套用72

3.8.1在空氣淨化上的套用72

3.8.2在污水處理上的套用72

3.8.3在化妝品上的套用72

參考文獻72

第4章TiO2薄膜光催化材料78

4.1薄膜光催化材料的特點79

4.1.1比表面積小79

4.1.2吸附能力弱79

4.1.3反應活性低79

4.2TiO2薄膜光催化材料的製備80

4.2.1物理鍍膜法80

4.2.2化學方法81

4.3薄膜與基底的相互作用85

4.3.1薄膜與金屬基底的相互作用85

4.3.2薄膜與玻璃基底的相互作用89

4.3.3薄膜與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軟模板法94

4.4.2硬模板法96

4.5TiO2納米管陣列光催化薄膜96

4.5.1模板法製備TiO2納米管陣列96

4.5.2在基底物質表面製備TiO2納米管陣列97

4.5.3陽極氧化法製備TiO2納米管陣列97

4.5.4鈦合金氧化製備複合金屬氧化物納米管陣列97

4.5.5自組裝製備特殊功能TiO2納米管陣列98

4.6可見光回響型TiO2薄膜98

4.6.1金屬離子摻雜99

4.6.2非金屬離子摻雜99

4.7氮摻雜可見光回響型二氧化鈦的製備方法100

4.7.1濺射法製備摻氮TiO2100

4.7.2脈衝雷射沉積100

4.7.3加熱法101

4.7.4離子注入法101

4.8薄膜光催化劑的套用101

4.8.1在抗菌上的套用101

4.8.2TiO2薄膜自清潔作用101

4.8.3TiO2薄膜可作為親水防霧塗層102

參考文獻102

第5章TiO2光催化材料的活性提高105

5.1影響光催化材料活性的主要因素105

5.2TiO2晶相結構與缺陷的控制106

5.3能帶位置對光催化性能的影響107

5.4晶粒大小的控制109

5.4.1光生載流子的輸運109

5.4.2吸附能力的改變109

5.4.3晶粒尺寸對能隙的影響109

5.5陽離子摻雜110

5.5.1稀土離子摻雜110

5.5.2過渡金屬離子摻雜114

5.6陰離子摻雜116

5.6.1氮的摻雜117

5.6.2硫的摻雜117

5.6.3鹵素的摻雜118

5.6.4碳的摻雜1185.7表面貴金屬改性118

5.7.1貴金屬納米顆粒的表面沉積118

5.7.2表面電漿共振吸收119

5.7.3電荷遷移的增強效應120

5.7.4負載貴金屬後的光催化活性和選擇性121

5.7.5不同負載方法對光催化活性和選擇性的影響121

5.8半導體的表面光敏化技術122

5.8.1染料敏化122

5.8.2酞菁敏化122

5.9半導體的異質結複合技術122

5.9.1半導體的表面異質結122

5.9.2異質結促進活性提高的原理123

5.9.3SnO2/TiO2異質結體系123

5.9.4界面複合（TiO2/SnO2/glass、SnO2/TiO2/glass）123

5.9.5複合順序對光催化活性的影響124

5.9.6複合樣品內外層厚度對光催化活性的影響124

5.10影響反應活性的環境因素126

5.10.1光源與光強126

5.10.2有機物濃度127

5.10.3pH值127

5.10.4溫度127

5.10.5其它影響因素127

5.11輔助能量場對TiO2光催化反應的影響128

5.11.1熱場128

5.11.2電場128

5.11.3微波場129

5.11.4超聲場129

參考文獻130

第6章TiO2光催化材料的能效提高133

6.1離子摻雜技術133

6.1.1TiO2的本徵吸收134

6.1.2離子摻雜類型對二氧化鈦光催化活性的影響137

6.1.3離子摻雜的方法139

6.2染料光敏化144

6.2.1TiO2光敏化的機理145

6.2.2無機化合物敏化劑145

6.2.3有機染料敏化劑146

6.2.4金屬有機配合物敏化劑147

6.2.5複合光敏化劑148

6.3表面雜化149

6.3.1TiO2/C601496.3.2TiO2/C149

6.3.3TiO2/PANI150

6.4半導體的異質結複合150

6.4.1複合半導體的模型結構151

6.4.2CdS半導體的光電性能與光腐蝕過程152

6.4.3CdSTiO2複合半導體的電子傳輸機理153

6.4.4CdSTiO2複合半導體的合成方法153

參考文獻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
7.1.1TiO2光催化材料的局限性159
7.1.2複合氧化物的優勢以及研究現狀159
7.2鉭鈮鈣鈦礦結構光催化材料160
7.2.1鹼金屬鉭酸鹽複合氧化物161
7.2.2鹼土金屬鉭酸鹽複合氧化物168
7.2.3金屬鈮酸鹽複合氧化物177
7.3鎢鉬釩系光催化材料180
7.3.1鎢酸鹽系光催化材料180
7.3.2鉬酸鹽系光催化材料217
7.4含氧酸鹽光催化材料226
7.4.1水熱法製備BiPO4及其光催化性能226
7.4.2水熱法製備Bi2O2(OH)NO3及其光催化性能229
7.5石墨結構C3N4(gC3N4)聚合物光催化材料235
參考文獻237
第8章光電協同作用提高光催化材料的降解性能240
8.1光電協同催化基礎240
8.2光電協同催化原理241
8.2.1電場輔助光催化過程242
8.2.2光電協同催化氧化過程242
8.3光電協同催化實驗242
8.3.1光電協同催化電極242
8.3.2光電協同反應設備245
8.3.3光電協同催化反應的影響因素246
8.4Bi2WO6薄膜的光電協同催化249
8.4.1Bi2WO6薄膜的表征249
8.4.2Bi2WO6薄膜對4CP的光電協同催化降解250
8.4.3Bi2WO6薄膜的穩定性分析253
8.5TiO2納米管陣列的光電協同催化 253
8.5.1TiO2納米管陣列的製備254
8.5.2TiO2納米管陣列光電性能研究254
8.5.3TiO2納米管陣列的修飾改性256
8.6光電協同催化的環境淨化266
8.6.1光電協同催化污水淨化套用266
8.6.2光電協同催化存在的問題267
參考文獻268
第9章表面雜化及其光催化性能的提高272
9.1共軛π材料的結構和電子性能272
9.2表面雜化作用機理272
9.3C60的表面雜化273
9.3.1C60的性質和結構特點273
9.3.2簡單氧化物光催化劑的C60表面雜化274
9.3.3新型複合氧化物光催化劑的C60表面雜化286
9.4類石墨碳的表面雜化289
9.4.1類石墨碳的性質和結構特點289
9.4.2簡單氧化物光催化劑的類石墨碳表面雜化289
9.5聚苯胺的表面雜化301
9.5.1聚苯胺的性質和結構特點301
9.5.2簡單氧化物光催化劑的PANI表面雜化302
9.6石墨烯的表面雜化312
9.6.1石墨烯的性質及結構特點312
9.6.2簡單氧化物光催化劑的石墨烯表面雜化312
9.7C3N4的表面雜化319
9.7.1C3N4的性質及結構特點319
9.7.2簡單氧化物光催化劑的 C3N4表面雜化319
參考文獻325
第10章光催化材料的理論計算研究方法327
10.1半導體的能帶理論327
10.1.1半導體與帶隙327
10.1.2導帶和價帶電位估算328
10.1.3載流子的有效質量329
10.1.4缺陷濃度與缺陷形成能329
10.2光催化理論計算的信息331
10.2.1能帶結構及態密度分布331
10.2.2光學性質333
10.2.3缺陷形成能與化學勢334
10.3理論計算方法335
10.3.1基於密度泛函理論的第一性原理概述335
10.3.2第一性原理計算流程336
10.3.3基於密度泛函理論計算軟體包CASTEP和SIESTA軟體337
10.4氧化物半導體光催化材料的能帶計算339
10.4.1d0氧化物339
10.4.2d10氧化物341
10.4.3其它氧化物343
10.5二氧化鈦點缺陷結構的理論研究347
10.5.1幾何結構348
10.5.2本徵缺陷能349
10.6非金屬單摻雜TiO2的電子結構352
10.6.1物理模型352
10.6.2缺陷形成能352
10.6.3電子結構354
10.7非金屬與過渡金屬共摻雜TiO2的電子結構356
10.7.1物理模型356
10.7.2共摻雜的束縛能356
10.7.3共摻雜的電子結構357
10.8共摻雜的協同效應研究359
10.8.1物理模型359
10.8.2共摻雜缺陷形成能360
10.8.3電子結構362
10.8.4光學性質363
參考文獻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
11.1.1X射線螢光光譜法366
11.1.2原子吸收光譜法368
11.1.3電漿質譜法369
11.1.4電子探針分析法370
11.2光催化材料的物相結構的表征371
11.2.1X射線晶體衍射371
11.2.2電子衍射分析377
11.2.3拉曼光譜分析378
11.3表面與價鍵分析380
11.3.1紅外光譜分析380
11.3.2X射線光電子能譜382
11.3.3俄歇電子能譜387
11.4分散度及形貌分析393
11.4.1掃描電鏡393
11.4.2透射電鏡395
11.4.3原子力顯微鏡398
11.4.4粒度分析儀399
11.5光吸收性能研究401
11.6光催化材料的熱分析方法402
11.7比表面和孔分布研究403
參考文獻404
第12章光催化性能評價研究方法406
12.1光催化機理研究406
12.1.1紫外可見漫反射光譜法406
12.1.2螢光光譜：缺陷結構與壽命409
12.1.3表面光電壓譜412
12.1.4表面光電流415
12.1.5交流阻抗譜417
12.1.6平帶電位419
12.1.7自由基與空穴捕獲研究420
12.1.8時間分辨光電導譜（TRPC）423
12.2光催化反應過程中的產物分析424
12.2.1高效液相色譜方法424
12.2.2色譜/質譜聯用技術424
12.2.3離子色譜427
12.2.4總有機碳分析428
12.3光源與光催化反應器429
12.3.1光源與光譜器件429
12.3.2光催化反應器430
12.4光催化材料性能評價431
12.4.1液相光催化活性評價方法432
12.4.2氣相光催化活性評價方法434
12.4.3光解水制氫性能評價435
12.4.4光催化自清潔性能評價方法436
12.4.5光催化抗菌性能測試437
參考文獻439
第13章光催化材料的環境淨化套用442
13.1光催化對有毒有害物的分解反應 442
13.1.1揮發性有機化合物442
13.1.2內分泌干擾物446
13.1.3持久性有機污染物（POPs）448
13.2光催化在空氣淨化方面的套用452
13.2.1甲醛淨化453
13.2.2甲苯淨化454
13.3光催化在水淨化方面的套用454
13.3.1表面活性劑454
13.3.2染料廢水455
13.3.3農藥廢水456
13.4光催化降解複合技術456
13.4.1光催化降解淨化456
13.4.2光電協同催化降解淨化456
13.4.3臭氧協同光催化降解457
13.4.4雙氧水協同光催化降解457
13.4.5Fenton光催化降解457
13.5光催化降解的套用458
13.5.1生活飲用水的淨化458
13.5.2低濃度高毒性污水的淨化458
13.6光催化在建築材料方面的套用460
13.6.1自清潔玻璃460
13.6.2自清潔塗料461
13.7光催化在抗菌淨化方面的套用462
13.7.1抗菌陶瓷463
13.7.2抗菌玻璃463
13.7.3抗菌不鏽鋼463
13.7.4抗菌塑膠463
13.7.5抗菌塗料463
13.7.6其它463
參考文獻464
第14章光催化新能源467
14.1光催化水分解制氫反應467
14.1.1光催化分解水制氫基本原理467
14.1.2提高光催化劑分解水制氫效率的方法470
14.1.3粉體光催化劑分解水制氫472
14.1.4光電催化分解水制氫475
14.2太陽能光伏電池477
14.2.1染料敏化太陽能電池477
14.2.2其它太陽能電池483
14.3二氧化碳的能源利用485
14.3.1還原CO2方法的概述485
14.3.2光催化還原CO2的催化體系487
參考文獻489
第15章光催化可降解塑膠研究494
15.1光催化可降解塑膠原理494
15.2聚苯乙烯（PS）可降解塑膠495
15.2.1紫外降解過程和產物分析495
15.2.2可見光降解研究500
15.3聚乙烯可降解塑膠504
15.3.1PETiO2薄膜在紫外光及日光下的光催化降解研究504
15.3.2PE(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關研究514
15.4基於光催化的可降解塑膠的進展 517
15.4.1直接利用納米TiO2 作為光催化劑 517
15.4.2改性納米TiO2作為光催化劑518
參考文獻521
索引523