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1、光催化学科的前沿与发展趋势第1页，本讲稿共42页光催化学科是催化化学、光电化学、半导光催化学科是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。交叉的新兴研究领域。第2页，本讲稿共42页 光催化分解水制氢光催化分解水制氢 H2O H2+O2 环境光催化环境光催化 C6H6+7 O2 6 CO2+3H2Ohvhv催化剂催化剂催化剂催化剂第3页，本讲稿共42页环境和能源是二十一世纪人类面临和亟待环境和能源是二十一世纪人类面临和亟待解决的重大问题。光催化以其室温深度解决的重大问题。光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳光作为光源来驱反应
2、和可直接利用太阳光作为光源来驱动反应等独特性能而成为一种理想的环动反应等独特性能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。境污染治理技术和洁净能源生产技术。第4页，本讲稿共42页导带价带h=Eg还原氧化A_AD+D光光催催化化原原理理h第5页，本讲稿共42页光光解解水水原原理理导带价带光吸收激发电子生成空穴0.0eV1.23eVNHE(pH=0)H+/H2O2/H2Oh第6页，本讲稿共42页光催化技术在众多领域具有广阔的应用光催化技术在众多领域具有广阔的应用 前景和重大社会经济效益前景和重大社会经济效益空气、水净化空气、水净化国国 防防 军军 事事纺织工业纺织工业汽车工业汽车工业家用
3、电器家用电器建筑材料建筑材料 医疗卫生医疗卫生洁净能源洁净能源第7页，本讲稿共42页光催化受到科学界、政府部门及企业界的高光催化受到科学界、政府部门及企业界的高度重视，投入了大量的资金和研究力量开度重视，投入了大量的资金和研究力量开展光催化基础理论、应用技术开发及工程展光催化基础理论、应用技术开发及工程化研究，使得光催化成为近年来国内外最化研究，使得光催化成为近年来国内外最活跃的研究领域之一。活跃的研究领域之一。第8页，本讲稿共42页一、光催化领域的重大科技问题一、光催化领域的重大科技问题与学科发展趋势与学科发展趋势 1 1、重大科技问题、重大科技问题 目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存目前
4、以二氧化钛为基础的半导体光催化存在一些关键科学技术难题，使其广泛的工业应在一些关键科学技术难题，使其广泛的工业应用受到极大制约，而这些问题的解决则有赖于用受到极大制约，而这些问题的解决则有赖于深入系统的基础研究。深入系统的基础研究。第9页，本讲稿共42页最突出的问题在于：最突出的问题在于：（1）量子效率低（）量子效率低（4%）难以处理量大且浓度高的废气和废水，难以实现光催化分解水制难以处理量大且浓度高的废气和废水，难以实现光催化分解水制氢的产业化。氢的产业化。（2）太阳能利用率低）太阳能利用率低 由于由于TiO2半导体的能带结构半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能决定了其只能 吸收
5、利用紫外光或太阳光中的紫外线部分吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐太阳光中紫外辐 射仅占射仅占5%)。（3）多相光催化反应机理尚不十分明确）多相光催化反应机理尚不十分明确 以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。盲目性大。（4）光催化应用中的技术难题）光催化应用中的技术难题 如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收 技术，在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催
6、化剂技术，在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂 活性稳定性问题。活性稳定性问题。第10页，本讲稿共42页 上上述述关关键键问问题题也也是是目目前前国国内内外外光光催催化化领领域域的的研研究究焦焦点点，围围绕绕这这些些问问题题开开展展进进一一步步的的研研究究不不仅仅可可望望在在光光催催化化基基础础理理论论方方面面获获得得较较大大的的突突破破，而而且且有有利利于于促促进进光光催催化化技技术术真真正正能能在在上上述述众众多多领领域域得得到到大大规规模模广广泛泛工业应用。工业应用。第11页，本讲稿共42页2 2、学科发展方向、学科发展方向 从理论和应用上解决可见光光催化和提高从理论和应用上解决
7、可见光光催化和提高光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化学科的发展方向。学科的发展方向。第12页，本讲稿共42页前沿课题和研究重点：前沿课题和研究重点：（1）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制 （能带调变，非（能带调变，非TiO2光催化剂）；光催化剂）；（2）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光 催化理论体系的探讨（催化理论体系的探讨（原位表征和超快原位表征和超快 时间分辨技时间分辨技 术研究光生载流子的迁移传输规律术研究光生载流子的迁移传输规
8、律）；）；（3）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）；）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）；（4）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用 研究。研究。第13页，本讲稿共42页二、光催化领域的最新研究进展二、光催化领域的最新研究进展 近近年年来来，光光催催化化的的基基础础与与应应用用研研究究发发展展非非常常迅迅速速，特特别别是是在在可可见见光光诱诱导导的的新新型型光光催催化化剂剂的的研研究究、提提高高光光催催化化过过程程效效率率的的研研究究和和光光催催化化功功能能材材料料的的研研究究等等方方面都取得了重要进展。面都取得了重要进展。第1
9、4页，本讲稿共42页1 1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得、可见光诱导的光催化剂研究方面取得 重大突破重大突破 采用固相合成、过渡金属离子和非金属采用固相合成、过渡金属离子和非金属离子掺杂、金属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、有机络合物、表面敏化、半导体复合等多种方法，制备出了一系列半导体复合等多种方法，制备出了一系列新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光催化材料，这些材料在可见光的照射下，催化材料，这些材料在可见光的照射下，能将能将H2O分解为分解为H2和和O2，或能有效降解空，或能有效降解空气、水中的有机和无机污染物。气、水中的有机和无机污染物。第
10、15页，本讲稿共42页 Zhigang Zou等等采采用用高高温温固固相相合合成成法法，制制备备出出可可见见光光活活性性的的In1-xNixTaO4催催化化剂剂并并应应用用于于光光解解水水制制氢氢1、随随后后又又研研制制出出InVO4 2、NiM2O6(M=Nb,Ta)3等等系系列列可可见见光光活活性性的的光光解解水水催催化化剂剂。（Nature，2001)Michikazu Hara等等通通过过氮氮化化Ta2O5合合成成出出窄窄禁禁带带宽宽度度的的半半导导体体TaON和和Ta3N5（2.5eV和和2.1eV），使使其其光光吸吸收收带带边边分分别别拓拓展展到到500nm和和600nm左右，从而
11、具备可见光光催化性能左右，从而具备可见光光催化性能4。Masato Takeuchi等等5采采用用离离子子注注入入法法制制备备Cr掺掺杂杂的的TiO2，光光吸吸收收带带发发生生红移，可以在可见光下把红移，可以在可见光下把NO分解为分解为N2和和O2。R.Asahi等等6采采用用N置置换换式式掺掺杂杂得得到到的的TiO2-xNx在在可可见见光光条条件件下下对对亚亚甲甲基基蓝蓝和和气气态态乙乙醛醛的的光光催催化化活活性性以以及及负负载载型型TiO2-xNx薄薄膜膜的的亲亲水水性性都都高于高于TiO2。（。（Science，2001）第16页，本讲稿共42页赵赵进进才才等等人人7用用-环环糊糊精精和
12、和有有生生物物活活性性的的小小分分子子血血晶晶素素合合成成了了一一种种金金属属-有有机机络络合合物物（CDH），该该络络合合物物在在可可见见光光下下可可以以活活化化H2O2，把把水水中中的的若若丹丹明明B（RhB）和和2，4-二氯苯酚（二氯苯酚（DCP）等有机污染物氧化和矿化。）等有机污染物氧化和矿化。最最近近，李李灿灿等等人人采采用用水水热热合合成成制制备备出出具具有有可可见见光光活活性性的的光光解水解水ZnIn2S4新型催化剂新型催化剂8。第17页，本讲稿共42页硫化物硫化物ZnInZnIn2 2S S4 4上可见光催化分解水制氢上可见光催化分解水制氢Zhibin Lei and Can
13、Li et al,Chem.Commun.,2003,2142.第18页，本讲稿共42页2、为为解解决决多多相相光光催催化化过过程程效效率率偏偏低低的的问问题题，近近年年来来从从提提高高催催化化剂剂自自身身的的量量子子效效率率和和改改进进反反应应过过程程条条件件两两个个方方面面开开展展了了大大量量的的研研究工作，取得了重要进展。究工作，取得了重要进展。采采用用离离子子掺掺杂杂10-12、半半导导体体复复合合13-14、纳纳米米晶晶粒粒制制备备15-16、超超强强酸酸化化17-19等等方方法法，提提高高光光生生载载流流子子的的分分离离效效率率和和抑抑制制电电子子-空空穴穴的的重重新新复复合合，在
14、在一一定定程程度度上上改改善善了了光光催化剂的量子效率。催化剂的量子效率。值值得得注注意意的的是是，近近年年来来通通过过外外场场（电电场场、微微波波场场20-21、磁磁场场22、超超声声波波23、热热场场24等等）与与光光催催化化耦耦合合来来提提高多相光催化过程效率，做了许多有益的探索。高多相光催化过程效率，做了许多有益的探索。第19页，本讲稿共42页3 3、光催化材料超亲水性的发现、光催化材料超亲水性的发现2525，开辟了光，开辟了光催化研究和应用的新领域（催化研究和应用的新领域（Nature,1997)Nature,1997)利利用用光光催催化化膜膜的的超超亲亲水水性性和和强强氧氧化化性性
15、等等特特性性，研研制制开开发发出出一一系系列列光光催催化化功功能能材材料料，如如光光催催化化自自清清洁洁抗抗雾雾玻玻璃璃、光光催催化化自自清清洁洁抗抗菌菌陶陶瓷瓷和和光光催催化化环环保保涂涂料料等等。这这些些功功能能材材料料已已开开始始在在建建筑筑材材料料领领域域应应用用。与与之之相相应应的的光光催催化化膜膜功功能能材材料料的的基基础础研研究究也也有有大大量量的的文文献献报报道道26-28。第20页，本讲稿共42页三、我国光催化学科的发展现状与三、我国光催化学科的发展现状与 发展方向发展方向1 1、发展现状、发展现状 九十年代中期以来，国家自然科学基金委、国九十年代中期以来，国家自然科学基金委
16、、国 家计委和国家科技部等部门加大了对我国光催化基家计委和国家科技部等部门加大了对我国光催化基 础和应用研究的支持力度，组织实施了包括国家自础和应用研究的支持力度，组织实施了包括国家自 然科学基金重点项目和国家高技术产业发展项目在然科学基金重点项目和国家高技术产业发展项目在 内的一批科研项目，使得近年来我国光催化基础研内的一批科研项目，使得近年来我国光催化基础研 究、应用研究及产业化发展十分迅速。究、应用研究及产业化发展十分迅速。第21页，本讲稿共42页研究队伍急剧扩大，多学科交叉特色显著研究队伍急剧扩大，多学科交叉特色显著 最最近近几几年年，由由于于国国际际上上光光催催化化分分解解水水研研究
17、究的的复复苏苏，特特别别是是环环境境光光催催化化的的崛崛起起，我我国国许许多多高高等等院院校校、中中科科院院研研究究所所、部部委委及及军军队队研研究究院院所所都都开开展展了了光光催催化化研研究究工工作作。催催化化化化学学、光光电电化化学学、半半导导体体物物理理、材材料料科科学学和和环环境境科科学等诸多学科的科研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。学等诸多学科的科研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。第22页，本讲稿共42页光催化研究主要地区分布光催化研究主要地区分布第23页，本讲稿共42页全国光催化会议论文和人数变化情况全国光催化会议论文和人数变化情况年 度人数或论文数第24页，本讲稿共42页研究内容
18、与国际同步，研究水平不断提高研究内容与国际同步，研究水平不断提高-从基础研究到应用研究涵盖了光催化领域的各个从基础研究到应用研究涵盖了光催化领域的各个 方面。方面。-一批在日本、美国、加拿大、法国等国家从事光一批在日本、美国、加拿大、法国等国家从事光 催化研究的留学人员的陆续回国。催化研究的留学人员的陆续回国。-取得了一批重要的基础研究成果，在国内外重要取得了一批重要的基础研究成果，在国内外重要 学术刊物上发表了大量高水平论文，论文数量估学术刊物上发表了大量高水平论文，论文数量估 计每年以计每年以30%的速度增长，据不完全统计的速度增长，据不完全统计2002年年 达到百篇以上。达到百篇以上。-
19、经过近七、八年的快速发展，我国光催化领域的经过近七、八年的快速发展，我国光催化领域的 整体研究力量、研究条件和研究水平已基本上接整体研究力量、研究条件和研究水平已基本上接 近国际水平，与日本、美国和欧洲等国家的差距近国际水平，与日本、美国和欧洲等国家的差距 已经明显缩小。已经明显缩小。第25页，本讲稿共42页取得了一批具有自主知识产权的应用研究成取得了一批具有自主知识产权的应用研究成果，为我国光催化高新技术产业群的形成果，为我国光催化高新技术产业群的形成奠定了坚实的基础，并带动了相关产业的奠定了坚实的基础，并带动了相关产业的技术进步。技术进步。第26页，本讲稿共42页固体超强酸高效光催化剂的产
20、业化固体超强酸高效光催化剂的产业化第27页，本讲稿共42页 固体超强酸光催化剂生产车间固体超强酸光催化剂生产车间第28页，本讲稿共42页生产的固体超强酸光催化剂及系列产品生产的固体超强酸光催化剂及系列产品第29页，本讲稿共42页光催化空气净化器的产业化光催化空气净化器的产业化第30页，本讲稿共42页第31页，本讲稿共42页光催化空气净化器系列产品光催化空气净化器系列产品第32页，本讲稿共42页 KJ680-LGSKJ680-LGS第33页，本讲稿共42页光催化自清洁抗菌瓷砖的产业化光催化自清洁抗菌瓷砖的产业化第34页，本讲稿共42页第35页，本讲稿共42页 鉴于本项目的开创性和显著的社会经济效
21、鉴于本项目的开创性和显著的社会经济效 益，国家计委授予本项目益，国家计委授予本项目第36页，本讲稿共42页我国光催化研究存在的主要问题：我国光催化研究存在的主要问题：（1）基础研究基础研究：系统的、有重大影响的基础研究论文：系统的、有重大影响的基础研究论文 较少。较少。（2）应用研究应用研究：有自主知识产权的应用研究成果较：有自主知识产权的应用研究成果较 少、工程化研究相对滞后。少、工程化研究相对滞后。（3）研究队伍研究队伍：有物理化学背景的研究人员少；开展：有物理化学背景的研究人员少；开展 光催化分解水的研究队伍小，发展后光催化分解水的研究队伍小，发展后 劲不足。劲不足。（4）研究经费研究经
22、费：基础研究经费投入少，特别是光催化：基础研究经费投入少，特别是光催化 分解水方面的基础研究经费极少。分解水方面的基础研究经费极少。第37页，本讲稿共42页从上面的分析可以看出，我国的光催化研究从上面的分析可以看出，我国的光催化研究整体上已经进入快速发展期，已成为国际整体上已经进入快速发展期，已成为国际光催化领域的一支重要研究力量，加上我光催化领域的一支重要研究力量，加上我国对环境保护、能源开发的巨大需求和市国对环境保护、能源开发的巨大需求和市场背景，进一步加大对光催化基础和应用场背景，进一步加大对光催化基础和应用研究的支持力度，促进光催化学科的发展研究的支持力度，促进光催化学科的发展是十分必
23、要的。是十分必要的。第38页，本讲稿共42页2 2、发展方向、发展方向 根据目前我国光催化研究现状和国际根据目前我国光催化研究现状和国际光催化学科的发展趋势，建议国家自然科光催化学科的发展趋势，建议国家自然科学基金委重点支持如下方向的基础研究：学基金委重点支持如下方向的基础研究：深入的多相光催化反应机理研究；深入的多相光催化反应机理研究；基于分子水平的光催化理论体系的探讨；基于分子水平的光催化理论体系的探讨；可见光诱导的新型高效光催化剂的研究；可见光诱导的新型高效光催化剂的研究；光催化在环境污染治理、光解水制氢和光催化膜功能材光催化在环境污染治理、光解水制氢和光催化膜功能材料等领域的应用基础研究。料等领域的应用基础研究。第39页，本讲稿共42页谢谢福州大学光催化研究所福州大学光催化研究所第40页，本讲稿共42页eh+H2O+e H2+OH-H2O+h+O2+H+eh+h VBCB红外辐射红外辐射,电子态、晶格振动态电子态、晶格振动态之间跃迁衰变过程的信息之间跃迁衰变过程的信息 荧光辐射，激发态电子和空荧光辐射，激发态电子和空穴之间复合的信息穴之间复合的信息 第41页，本讲稿共42页Ti3dCBO2pUVVB通过掺杂阳离子调变禁带宽度通过掺杂阳离子调变禁带宽度NHEH+/H2O2/OH-CBVBh+e-UVCr3dVisVisTi Cr,In 第42页，本讲稿共42页