光催化试题及答案.docx

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1、1 .二氧化钛的常见晶相结构有哪几种？哪种光催化活性最高？哪种最适合做颜料？哪种带隙最宽。锐钛矿相、金红石相和板钛矿相成为TiO2主要的三种晶型。锐钛矿相光催化活性最高。金红石相带隙最宽并且最适合做颜料。2 .本课程中讲到的二氧化钛的最重要的两种特性是什么？光催化活性、超亲水性。3 .化学方法制备纳米二氧化钛光催化剂的常用方法包括哪些？溶胶凝胶法，液相沉积，化学气相沉积，喷雾热解，自组装法，电化学沉积,物理气相沉积法。火焰高温热解、化学气相沉积、气相化学氧化法、水热法甚至于反相微乳液法等为了获得好的分散性和晶型，合成过程中还要结合哪些技术进行。冷冻干燥技术、气相喷雾技术、高温嘏烧处理、高温固相

2、技术4 .二氧化钛光催化的基本原理？光催化在哪些领域会有潜在的应用，举例说明?当TiOz受到光能大于或等于其禁带宽度的光照射后，价带上的电子就可以被激发跃迁到相应的导带，在价带上产生空穴，从而形成电子-空穴对。光生电子和空穴在空间电荷层的作用下，发生有效分离，空穴转移到Ti0?表面，与Ti0?表面上的-OH基团作用产生高活性的0H自由基，该自由基具有强氧化性，在一定程度上可将几乎所有的有机物氧化分解为水或二氧化碳等无机物小分子。 防污，抗菌，除臭，空气净化，水处理 高效污水处理用和空气净化用纳米光催化剂的制备及其负载化成套装置 纳米涂料在外墙和内墙中的应用和产业化 纳米TiO2光催化剂在家电中

3、的应用研究利用光催化表面的超亲水性和光催化活性研制开发具有自清洁和抗雾性能的纳米光催化膜功能材 太阳能光催化分解水制氢5 .在光催化研究和应用中，主要存在的科学问题和技术难题。 量子效率低（4%）,难以处理量大且浓度高的工业废气用）废水； 太阳能用率低。由于二氧化钛半导体的能带结构（Eg=3.2eV）决定了其只能吸收利用太阳光中的紫外线部分；（5%可见，95%紫外）光催化剂的负载技术。难以在既保持较高的光催化活性又满足特定材料的理化性能要求的前提下在不同材料表面均匀,牢固地负载上光催化剂；纳米氧化钛的超亲水性机理和成膜技术的研究。6 .简述二氧化钛光催化剂受紫外光激发后，电子和空穴的可能的复合

4、途径。并分别阐述这些途径对光催化活性的影响。光催化剂被所吸收的光激发，电子和空穴发生分离，当电子和空穴各自迁移到表面后，在表面迁移的过程中，发生了复合，一般称为表面复合。电子和空穴还没有来得及迁移到表面时，电子和空穴在向光催化剂表面迁移的过程中已经发生了复合，这个过程一般被称为体内复合。（书P4）OH+h+fOHH2O+h+-0H+H+02+eo202-+H2OT-OOH+OH-2-00H今H2O2+02OOH+H2Oe-今H2O2+OH-H2O2+e-OH+OH-7.影响二氧化钛光催化剂活性有哪些主要因素，它们与光催化活性之间的关系如何？一,晶型的影响锐钛矿型和金红石型这两种晶型都有光催化活

5、性，但一般而言，锐钛矿型Ti()2的光催化活性要比金红石型高，其原因在于：(1) 金红石型Ti()2的禁带宽度较小(锐钛矿的Eg=3.2ev,金红石的Eg=297ev),其较正的导带阻碍了氧气的还原反应。(2) 锐钛矿型Ti()2晶格中含有较多的缺陷，从而产生较多的氧空穴来捕获电子，而金红石型Ti02是Ti02最稳定的晶型结构形式，具有较好的晶态化，缺陷少,光生电子和空穴容易复合，催化活性受到一定影响。金红石型Ti02光催化活性低还可能与高温处理过程粒子大量烧结引起的表面积急剧下降有关。二，粒径的影响晶粒尺寸对Ti02光催化活性的影响较为复杂,微晶粒减小到纳米尺度时，能够产生量子尺寸效应，使得

6、谱带蓝移，光生空穴和电子具有更强的氧化还原能力，所以光催化活性提高；比表面积的增加，提高吸附能力，增加活性位点；如果微晶尺寸过小，反而使得电子一空穴在表面复合速率加快，导致光催化效率降低。三，缺陷的影响有利：晶格缺陷能够提n1iTiO?的Fermi能级，增加表面能量壁垒，使电子一空穴在表面的复合几率降低。不利：晶格缺陷也可能形成载流子的复合中心而导致光催化活性的下降。四，表面羟基浓度的影响有利点:容易生成羟基自由基，有利于光催化反应的进行不利点:当羟基浓度过高时，占有了大部分反应活性位，不利于反应物的吸附，导致反应速率的降低8.简述提高二氧化钛光催化剂在可见光区域的光催化活性的主要方法及其原理

7、。可见光区：非金属掺杂染料光敏化多元共掺杂(1) 过渡金属掺杂(Fe、CrV等)：掺杂量很难控制，过量时往往成为电子和空穴的符合中心。近来也有关于非金属掺杂减少电子和空穴复合的报道。(2) 半导体符合：如TiOCdS(3) (3)贵金属负载：Au、Pt、Ag,Pd等。9 .提高二氧化钛光量子效率的方法主要有哪些？其提高光量子效率的原理是什么？光量子效率：金属离子掺杂复合半导体(书P21)贵金属沉积多元共掺杂10 .简述提高二氧化钛光催化剂光催化效率的主要改性方法。(1)过渡金属掺杂(Fe.Cr、V等)：掺杂量很难控制，过量时往往成为电子和空穴的符合中心。近来也有关于非金属掺杂减少电子和空穴复合

8、的报道。(2)半导体符合：如TiO2CdS(3)贵金属负载：Au、Pt、AgsPd等。可见光区：非金属掺杂染料光敏化多元共掺杂光量子效率：金属离子掺杂复合半导体贵金属沉积多元共掺杂U.TiO2和CdS分别作为光催化剂时，清匕檄它们各自的优缺点。TiO2:优点：1、合适的能带电位2、高化学稳定性3、无毒无害4、较高的光电转换效率5、低成本6、高活性缺点：无可见光吸收而是紫外光响应，不能最大化利用太阳能，虽然通过掺杂可以达到可见光响应，但是效率比较低。CdS优点:催化活性高缺点：在光照射时不稳定，光阳极腐蚀产生CCT,对生物有毒性，对环境有害。12 .阐述过渡金属铁和非金属氮共掺杂可以提高可见光区

9、域和紫外光区域光催化活性的原理。氮的掺杂能够使Ti()2的带隙变窄，从而有效地吸收可见光，提高可见光的催化活性，少量的碳对催化剂的催化活性也有重要的影响，它可能与氮产生协同作用，更好地提高催化剂的可见光催化活性。适当浓度的Fe3+掺杂有利于光催化活性的提高，原因：Fe3+取代Ti4+后，在晶格内部会产生缺陷位，成为电子或空穴的陷阱，减少电子-空穴的复合，提高了光生电子、空穴的利用效率；Fe3+的掺杂也会在靠近导带的位置生成杂质能级，使Ti02的带隙变窄，有利于增强催化剂对可见光的吸收，有利于电荷载流子的产生，进而提高光催化活性。Fe3+的掺杂存在最佳值，原因：掺杂浓度较低时，捕获电子或空穴的浅

10、势阱数量不够，光生电子一空穴不能有效分离；掺杂浓度较高时，过渡金属离子可能成为电子一空穴的复合中心，增大电子与空穴的复合几率。而且，过高的掺杂浓度有可能使离子在Ti()2中达到饱和而产生新相,减少Ti02的有效表面积，并有可能减少Ti02对光的吸收，从而降低光催化效率13 .在氮和1a3+共掺杂的纳米TiO2催化剂中，氮的主要作用和1a3+的主要作用是什么？贵金属负载改性掺杂的1a3-主要分布在Ti02的表面抑制了高温焙烧过程中的粉末的团聚，减小了晶粒尺寸，从而增加了催化剂的比表面积，催化剂表面活性位点增加；1a3+的掺杂还能作为一种电子捕获剂，促进Ti02的表面氧空穴的形成。N掺杂后在价带上

11、方形成了一个新的能级，使Ti02的带隙变窄，从而能吸收更多的可见光，提高可见光的利用率。抑制二氧化钛从锐钛矿到金红石的转晶；促进二氧化钛晶格氧与空穴反应。14 .贵金属负载改性提高TiO2光量子效率的原理。机理：贵金属功函数高于半导体，二者相接触时，贵金属和Tio2界面形成SChOttky能垒，可以有效地捕获电子，使光生电子和空穴分别定域于贵金属和Ti02表面，发生分离，然后电子和空穴分别在不同的位置发生氧化还原反应。功函数：功函，把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需要的最少的能量。功函数的大/标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大电子越不容易离开金属。艳的功函数最低,为1.93eV；

12、伯的最高为5.36eV一般情况下，沉积贵金属（M）的功函数（m）高于Ti02的功函数（6s）,当两种材料结合在一起时，电子就会从Ti（）2向贵金属迁移，直到二者的Fermi能级相等为止。在二者的电接触形成的空间电荷层中金属表面将获得多余的负电荷，而在半导体表面则有多于的正电荷。这样，半导体的能带就向上弯曲，在金属半导体界面上形成Schottky能垒。Schottky能垒可以有效地捕获电子，使光生电子和空穴分别定域于贵金属和TQ2表面，发生分离，然后电子和空穴分别在不同的位置发生氧化还原反应。15 .贵金属负载改性提高TiO2光量子效率,具体体现为哪几种途径（表现形式）?1 .抑制晶粒表面光生电

13、子和空穴的复合2 .抑制晶粒内部光生电子和空穴的复合3 .实现氧化反应和还原反应的分离16.贵金属在光催化剂上处于何种状态和尺寸时最有利于光催化活性的提高?是何原因？状态：一般认为：贵金属纳米粒子在TiO2表面处于高度分散状态且尺寸小于Ionm时（最佳尺寸为25nm）,才能有效提高光催化效率。原因1尺寸且呈立体状态（球形或半球形）的贵金属纳米粒子仅覆盖Ti02表面很小的面积，不会过多阻挡入射光到达催化剂表面引发光反应；相反，贵金属在Ti02表面形成包覆层时，会覆盖Ti02表面较大的面积，影响入射光到达Ti02表面，使产生的光生电子和空穴数目减少。2 .由于表面和界面效应，小尺寸的贵金属纳米粒子

14、更有利于对反应物种的吸附和捕获。3 .由于量子尺寸效应，贵金属纳米粒子的Fermi能级随其尺寸减小而增高，只有其Fermi能级与光催化剂的能级匹配时，才能有效传输电子，起到抑制电子和空穴复合的目的。17 .制备AuTiO2光催化剂主要有哪些湿化学方法？它们各有何特点？（适应性、金的负载率、金的存在状态、催化剂活性）.化学方法：共沉淀法，溶胶凝胶法，沉积沉淀法，湿浸渍法各优缺点1、湿浸渍法。缺点：难以在载体表面形成高度分散的贵金属纳米粒子，或形成贵金属粒子的尺寸较大（一般大于20nm）、其原因是在烧结过程存在的阴离子易促进贵金属粒子的烧结而长大。优点：是可以获得高的贵金属负载率。2、沉积-沉淀法

15、（DP法）优点：可以在Ti02表面形成高度分散的贵金属纳米粒子，贵金属负载率高因此，可以有效地提高光催化活性。缺点：只适合于在等电点大于5的金属氧化物表面沉积贵金属,不适合在SiO?（IEP=2）、SiO2-A12O3（IEP=1）、WO3（IEP=I）等低等电点的氧化物表面沉积贵金属。原因是在PH二68时，这些氧化物表面带负电荷，而AdOH）4（或AU（OH）3C）离子也带负电荷，由于静电斥力作用，AC（OH）4（或AU（OH）D不能被吸附到氧化物表面。3、共沉淀法优点：制备条件简单、能大量负载金属。缺点：（1）由于中间涉及到很多过程，因此实验条件对催化剂的催化性能影响较大，不易重复。（2）共沉淀法的另一个缺点是部分的贵金属单质被载体所包裹，使贵金属的利用率降IE（3）对于贵金属负载TiO”TiO?的结晶度、晶粒尺寸及贵金属纳米粒子的粒径都对催化剂的光催化活性产生影响，在燃烧过程中很难兼顾到TioZ的结晶度、晶粒尺寸和贵金属纳米粒子的粒径同时达到最佳值。钛元素和金可能存在沉淀速率不匹配，掺杂不均匀的问题，不利于Ti02光催化活性的提高。4、溶胶凝胶法缺点：催化反应活性点在金河TiOZ的接触点边缘，TiO?内部的金可能对提高光催化活性作用不大而引起金的浪费。很难控制Ti()2晶相、粒径的同时很好控制金的尺寸。表征方