光催化学科的前沿与发展趋势.ppt

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光催化学科的前沿与发展趋势光催化学科的前沿与发展趋势付贤智付贤智（福州大学光催化研究所）（福州大学光催化研究所）光催化学科是催化化学、光电化学、半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导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。

学科交叉的新兴研究领域。

光催化分解水制氢光催化分解水制氢H2OH2+O2环境光催化环境光催化C6H6+7O26CO2+3H2Ohvhv催化剂催化剂催化剂催化剂环境和能源是二十一世纪人类面临和亟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。

光催化以其室温待解决的重大问题。

光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳光作为光深度反应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源来驱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理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。

生产技术。

导带价带h=Eg还原氧化A_AD+D光光催催化化原原理理h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。

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11、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。

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。

分解水制氢的产业化。

（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。

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工业应用。

泛工业应用。

22、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。

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。

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究等方面都取得了重要进展。

研究等方面都取得了重要进展。

11、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。

ZhigangZou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InVO42、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化剂。

（催化剂。

（Nature，2001）MichikazuHara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。

MasatoTakeuchi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，光吸收带发生红移，可以在可见光下把光吸收带发生红移，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薄膜的亲水性都高于薄膜的亲水性都高于TiO2。

（。

（Science，2001）赵赵进进才才等等人人7用用-环环糊糊精精和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2，4-二二氯氯苯苯酚酚（DCP）等等有有机机污污染染物氧化和矿化。

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性的光解水活性的光解水ZnIn2S4新型催化剂新型催化剂8。

硫化物硫化物ZnInZnIn22SS44上可见光催化分解水制氢上可见光催化分解水制氢ZhibinLeiandCanLietal,Chem.Commun.,2003,2142.2、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，在在一一定程度上改善了光催化剂的量子效率。

定程度上改善了光催化剂的量子效率。

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高多多相相光光催催化化过过程程效效率率，做做了了许许多多有有益的探索。

益的探索。

33、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也有大量的文献报道究也有大量的文献报道26-28。

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11、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、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。

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学等等诸诸多多学学科科的的科科研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。

研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。

光催化研究主要地区分布光催化研究主要地区分布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研究内容与国际同步，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