二氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)物等氣體分子的高效催化轉(zhuǎn)化及催化降解是當(dāng)前能源革命與環(huán)境污染治理領(lǐng)域的重要課題。光催化因其節(jié)能高效、綠色環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在上述領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。但是,單一光催化體系效率低一直是光催化技術(shù)應(yīng)用的瓶頸所在。光熱耦合催化能整合光催化反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力大和熱催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高、選擇性好的優(yōu)勢(shì),是光化學(xué)太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究前沿。剖析光熱催化反應(yīng)機(jī)理,構(gòu)筑高效光熱催化劑是光熱催化研究重點(diǎn)。本論文以TiO₂等典型氧化物光催化材料為研究對(duì)象,探索了其在光熱耦合催化揮發(fā)性有機(jī)物降解及二氧化碳催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用;利用在位光電導(dǎo)技術(shù)深入解析光熱催化反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理;基于光熱催化反應(yīng)機(jī)理,探討了高效光熱催化劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體研究?jī)?nèi)容如下:（1）光熱耦合催化提升揮發(fā)性有機(jī)物深度氧化效果。光催化過程易出現(xiàn)中間產(chǎn)物累積導(dǎo)致催化劑積碳失活,進(jìn)而導(dǎo)致催化體系效率降低。本論文以TiO₂、WO₃、ZnO等典型氧化物光催化材料為研究對(duì)象,通過升溫增強(qiáng)其晶格氧與表面吸附物種的反應(yīng)能力,探索提高揮發(fā)性有機(jī)物的深度氧化效率的有效途徑。研究發(fā)現(xiàn):①對(duì)于T... 

【文章來源】：東北師范大學(xué)吉林省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：102 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

1973-2019論文標(biāo)題、摘要、關(guān)鍵詞中含有“photocataly*”的歷年文章數(shù)目柱狀圖，數(shù)據(jù)來源scopus

2空穴對(duì)將會(huì)經(jīng)歷以下三種可能的過程：（1）成功遷移至光催化劑的表面；（2）被體相或表面缺陷捕獲；（3）復(fù)合并以放熱或發(fā)光的方式釋放能量。傳統(tǒng)觀念上認(rèn)為當(dāng)電子空穴對(duì)經(jīng)歷被缺陷俘獲或復(fù)合的過程時(shí)，對(duì)光催化過程沒有貢獻(xiàn)，是失活的過程，當(dāng)電子和空穴遷移至表面才能夠參與到光催化反應(yīng)中[5]。圖1.2：半導(dǎo)體光催化劑光催化反應(yīng)機(jī)制[5]�；谏鲜鲈瓌t可知有效的電荷分離是決定光催化活性的重要因素。研究者們采取了多種策略來提高電荷分離效率：將半導(dǎo)體在高溫下進(jìn)行煅燒，提高結(jié)晶度來減少復(fù)合中心的形成[6]；構(gòu)建多種納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米帶和納米片等，也可以提高電荷的輸運(yùn)從而提高電荷分離效率[7-10]；利用內(nèi)建電場(chǎng)或者化學(xué)勢(shì)的不同構(gòu)建“結(jié)”也是一種有效提高電荷分離能力的方法[11-13]。表面反應(yīng)是電荷分離后遷移至催化劑表面所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。原則上，一個(gè)光催化反應(yīng)包括兩個(gè)半反應(yīng)：還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)。導(dǎo)帶上的電子引發(fā)還原反應(yīng)，其還原能力由導(dǎo)帶位置決定。價(jià)帶上的空穴誘發(fā)氧化反應(yīng)，氧化能力由價(jià)帶位置決定[5]。一個(gè)光催化過程的效率可以通過如下公式表示：效率=光吸收率*電荷分離效率*表面反應(yīng)效率實(shí)際測(cè)量過程中可以用光子效率來評(píng)價(jià)，即以反應(yīng)后生成的產(chǎn)物所利用的光子數(shù)與入射光子數(shù)的比值進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究者們發(fā)現(xiàn)經(jīng)計(jì)算后得出的光催化反應(yīng)光子效率很低，時(shí)間分辨光譜表明，大多數(shù)（90%）的光生電子空穴對(duì)在激發(fā)后迅速復(fù)合，這被認(rèn)為是大多數(shù)半導(dǎo)體材料光子效率低（<10%）的主要原因[14]。盡管存在著以上不足，以太陽光驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體進(jìn)行反應(yīng)的光催化技術(shù)對(duì)于可持續(xù)發(fā)展仍具有戰(zhàn)略意義，其在諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。如室內(nèi)空氣凈化，揮發(fā)性有機(jī)物的降解，廢水處理，自清潔，水分解產(chǎn)氫和CO2還原生產(chǎn)太陽能燃料等[15

31.2氧化物光催化材料1.2.1氧化物光催化材料概述半導(dǎo)體光催化中最重要的元素之一是半導(dǎo)體光催化劑。半導(dǎo)體是一種電學(xué)特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體獨(dú)特的電學(xué)性能是由其導(dǎo)帶和價(jià)帶特征決定的。在導(dǎo)帶底到價(jià)帶頂區(qū)間內(nèi)沒有電子態(tài)，這個(gè)區(qū)間的能量范圍稱為帶隙。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)（帶隙、導(dǎo)帶和價(jià)帶）是半導(dǎo)體光催化劑重要性能，決定了半導(dǎo)體光吸收性能和氧化還原能力[5]。圖1.3：一些常見半導(dǎo)體能帶位置圖。如圖1.3所示為一些常見半導(dǎo)體的能帶位置圖。半導(dǎo)體光催化材料主要以氧化物半導(dǎo)體為主，一些硫化物[17]以及新型半導(dǎo)體材料如BiMOX（M=Ta，Nb；X=Cl，Br，I）[18,19]、C3N4[20]等也被應(yīng)用于催化反應(yīng)中。氧化物光催化材料（如TiO2、SnO2、ZnO、WO3等）因其在自然界中儲(chǔ)存豐富而被廣泛研究。在所有的材料中，TiO2因其具有高穩(wěn)定性、無毒性和高活性的特點(diǎn)而成為最典型的半導(dǎo)體光催化劑[21]。自1972年Fujishima和Honda在TiO2電極上實(shí)現(xiàn)水分解以來，在光催化領(lǐng)域，以TiO2為關(guān)鍵詞的文章數(shù)目約占光催化文章總數(shù)的1/3左右，如圖1.4所示。圖1.4：1973-2019年論文標(biāo)題、摘要、關(guān)鍵詞中含有“photocataly*”與“photocataly*andTiO2”文章數(shù)目柱狀圖，數(shù)據(jù)來源scopus。自然界中TiO2主要以四種晶型存在：TiO2（B）、銳鈦礦、金紅石和板鈦礦[5]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]一種將三價(jià)鈦引入銳鈦型二氧化鈦的新方法:用于有效的光催化產(chǎn)氫（英文）[J]. 位順航,倪爽,徐曉翔.  催化學(xué)報(bào). 2018(03)
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[3]光催化還原CO2合成太陽燃料半導(dǎo)體光催化劑的設(shè)計(jì)與制備（英文）[J]. 李鑫,溫九青,劉敬祥,方岳平,余家國.  Science China Materials. 2014(01)
[4]不同壓力下光熱催化分解水制氫行為研究[J]. 李秋葉,杜全超,呂功煊.  分子催化. 2008(02)



本文編號(hào)：3286484