多孔TiO2材料气相光催化过程的原位电学性能分析研究开题报告

全文总字数：6244字

1. 研究目的与意义（文献综述）

藤岛和本田先生第一次的报道紫外照射tio2上发生光解水光催化作为一个绿色和可持续的能源和环境问题解决方案已经受到显著关注。太阳能具有清洁，无污染并且可再生的特点，因此如何高效的利用太阳能是研究解决方案的主要方向，半导体光催化技术可以将太阳能转化为反应所需的化学能，其作为解决环境问题的新技术得到人们的广泛关注，表现出了良好的应用前景。由于光催化效应的作用，在紫外光照射下许多氧化物材料可以用来氧化如挥发性有机污染物(vocs)一类的有机物。通常认为，vocs的光催化氧化是通过载流子转移的途径进行的。在众多的半导体光催化剂材料中，tio2展现了巨大的潜力，具有活性高，稳定性好，抗腐蚀能力强，价格低廉等优点，但是其自身的能带结构特点也在一定程度上限制了其应用，tio2的禁带宽度较宽（锐钛矿相3.2 ev,金红石相3.0 ev）,一方面，只能被波长小于380 nm的紫外光所激发，对太阳光的利用率较低，另外，单纯tio2在光激发下产生的电子-空穴对较容易复合，这较大地限制了tio2材料在光催化领域的应用，同时其大的比表面积产生的表面表面断键等，会在其禁带中产生大量的表面态能级，从而影响电荷的传输、复合和界面迁移。作为经典的光催化材料，研究tio2 对于vocs的分解可以具有普遍性意义。一些研究小组报道了一系列zno1x, sno2x,bio2x和tio2x等非化学计量比的半导体光催化材料. 这些材料含有大量空位缺陷, 可导致材料发生晶格畸变并引入合适的缺陷能级来促进载流子分离, 以此提高光催化性能。但普遍存在对低浓度甲醛的降解效果并不显著和甲醛的降解机制和相应的反应路径尚不清晰的问题。有研究表明，tio2对苯的光催化氧化作用可能随着温度的升高而降低，氧化反应是通过电荷载体转移途径进行的。这些研究进一步指出高温下的光催化氧化效率比环境(或接近环境)温度下的光催化氧化效率更高。这是由于晶格氧氧化苯的活化能大大降低，还原后的tio2被气相o2再氧化。苯在zno和钛酸盐上的光催化氧化和乙醛在wo3和tio2上的光催化氧化也被认为是在高温下以这种方式发生的。也有研究表明，室温下tio2晶格氧可明显发生光催化氧化反应，其中2-丙醇-丙酮、甲醇-(乙醇)-醛、醇氧化反应，气相o2取代反应的晶格氧。mars van krevelen (mvk)途径的普遍特性包括催化剂的组分参与反应。对于过氧化物的有机氧化，mvk机制要求：首先抽取晶格氧并与有机物反应，生然后成的氧空位通过气相o2或其他氧化物种补充。因此这些研究意味着有机物的光催化氧化可能通过mvk途径的氧化还原循环。本课题采用p25 tio2材料作为主体，利用自搭建用电学原位测试半导体气相光催化电子界面迁移动力学的实验装备，对半导体催化甲醛的电子界面迁移动力学进行了研究，将结合原位电学和光学的手段对纳米多孔tio2材料催化甲醛过程展开详细研究，揭示电子动力学迁移机制问题。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容：

材料：p25 tio₂(主要粒径为>25 nm，表面积为50 m²/g, 锐钛矿-金红石比约为3:1)

材料表征：通过xrd、sem等表征手段对其形貌结构及元素构成进行了分析.

3. 研究计划与安排

第1—2周：查阅相关文献资料，翻译英文文献；

4. 参考文献（12篇以上）

1.baoshun liu, xiujian zhao, chiaki terashima,akira fujishima，kazuyanakata thermodynamic and kinetic analysis of heterogeneous photocatalysis forsemiconductor systems, phys. chem. chem. phys., 2014,16, 8751-8760

2. baoshunliu, xiujianzhao, jiaguoyu, ivan p.parkin, akirafujishima, kazuya nakata, intrinsic intermediate gap states of tio2 materialsand their roles in charge carrier kinetics, journal of photochemistry andphotobiology c: photochemistry reviews, 2019, 39, 1-57.