《无机光催化剂》课件

无机光催化剂理论与应用课程背景与意义无机光催化领域发展简述什么是光催化概念定义核心要素利用光子激发产生活性物种的光源、催化剂、反应底物反应过程研究方向催化剂开发、机理研究、应用拓展光催化的基本原理光吸收催化剂捕获光子能量电子空穴生成-形成具有氧化还原能力的载流子载流子迁移电子和空穴向表面转移表面反应与反应物相互作用生成产物无机光催化剂的特点结构稳定性强可调控性好耐高温、耐腐蚀，使用寿命长晶体结构可精确设计不易光降解，可重复使用元素掺杂比例灵活热力学稳定，反应条件适应性广表面性质易于改性主要应用领域概览能源转化光解水制氢环境治理还原CO₂水污染降解合成反应空气净化有机化合物选择性合成不对称催化光催化反应机理光吸收1光子入射波长决定能量大小能量转移物质吸收光子能量价带跃迁电子从价带跃迁至导带光催化反应机理载流子迁移与分离2高效分离延长载流子寿命迁移路径缺陷态影响传输迁移速率晶格结构决定动力学光催化反应机理界面过程3分子吸附反应物在催化剂表面富集电荷转移电子或空穴与反应物相互作用中间体形成产生活性自由基中间体产物脱附生成物离开催化剂表面光催化性能影响因素晶体结构决定能带结构和缺陷密度缺陷与掺杂调控电子结构和光吸收范围比表面积影响活性位点数量和反应速率表面形貌决定暴露晶面和反应活性关键参数与表征方法表征技术测量参数信息获取紫外可见吸收光谱吸光度能带间隙大小-光电流测试电流响应载流子分离效率表面形貌微观结构特征SEM/TEM电子结合能表面元素价态XPS无机光催化剂的分类概述金属氧化物金属硫化物杂化材料、、、、石墨烯、TiO₂ZnO WO₃CdS ZnSMoS₂TiO₂/CdS/g-C₃N₄层状材料层状钙钛矿、层状双氢氧化物经典无机光催化剂二氧化1钛（）TiO₂

3.2eV85%能带间隙光催化效率紫外光区域激发在紫外光照条件下$5/kg市场价格低成本高效催化剂的能带结构与工作原理TiO₂常见的物相TiO₂金红石型锐钛矿型板钛矿型热力学最稳定相光催化活性最高少见，难合成表面改性策略TiO₂掺杂改性复合结构、、等非金属元素掺杂金属、半导体N SF/TiO₂/TiO₂晶面工程形貌调控高活性面暴露纳米管、纳米线、中空结构{001}代表性无机光催化剂2ZnO行业应用优点缺点抗菌涂料合成简单光腐蚀现象污水处理光电性能好强碱性条件下溶解气体传感器形貌多样化紫外光区激发能带结构与改性方法ZnO本征缺陷调控氧空位引入提高可见光响应贵金属沉积、纳米粒子提高电荷分离效率Au Ag异质结构建异质结拓展光吸收范围ZnO/CdS代表性光催化剂及其应用3CdS为窄带隙半导体，可见光响应强CdS

2.4eV光腐蚀严重，常与形成壳层结构增强稳定性ZnS其他金属氧化物催化剂WO₃Fe₂O₃带隙，强氧化性，适带隙，地球丰度高，

2.8eV

2.2eV合有机污染物降解低毒环保BiVO₄带隙，可见光响应性好，水氧化催化剂

2.4eV金属硫化物与氮化物光催化剂MoS₂g-C₃N₄层状结构，HER活性高石墨相氮化碳带隙

1.2-

1.9eV可调无金属元素组成边缘活性位定向催化可见光驱动产氢碳基材料与无机杂化体系石墨烯复合碳量子点复合碳纳米管杂化提高电荷分离效率增强光吸收和电荷转移提供高速电子通道建立高性能无机光催化剂途径能带工程调控禁带宽度与能级位置电荷分离优化抑制电子空穴复合-表面工程增加活性位点密度光捕获增强拓展光谱响应范围掺杂与缺陷工程精准控制原子级别缺陷工程双元掺杂协同效应增强性能单元掺杂调控电子结构本征缺陷氧空位、金属空位异质结策略量子点无机光催化剂2-10nm

0.5eV尺寸范围带隙变化量子限域效应明显相比体相材料200%活性提升比表面积增大载体与助催化剂影响金属纳米粒子碳材料载体、、作为电子陷阱高导电性促进电子转移Pt AuAg表面等离子体共振效应大比表面积增加活性位促进电荷分离稳定催化剂分散性多孔氧化物提供反应物富集环境增强催化剂分散度促进质量传递光催化产氢原理水分子活化水分子在催化剂表面吸附光激发产生电子空穴对-电子转移电子转移至水中⁺H生成H₂⁺被还原形成H H₂典型产氢无机催化材料体系基体系型复合体系Pt/TiO₂CdS Z紫外光响应可见光响应强宽波段光吸收作为电子陷阱需牺牲剂辅助高效电荷分离Pt产氢量高，稳定性好稳定性有待提高自循环电子传输链光催化还原机理介绍CO₂吸附CO₂在催化剂表面富集CO₂电子转移2接受光生电子形成活性中间体CO₂多电子过程根据电子数形成不同产物产物选择性催化剂结构影响产物分布无机材料在还原中的应用CO₂BiVO₄ZnGa₂O₄Cu₂O选择性还原为和高效还原为产物多样性，选择性可调CO₂CO CH₄CO₂CH₃OH光催化降解有机污染物应用染料降解酚类化合物抗生素残留亚甲基蓝、罗丹明工业废水中苯酚、氯四环素、氯霉素等医B降解效率高酚高效去除药废水处理农药降解有机磷、有机氯农药残留去除典型无机材料降解性能对比照明条件与光催化剂活性关系紫外光可见光近红外光能量高，可激发宽带隙催化剂能量适中，太阳光主要成分能量低，难以激发大多数催化剂穿透性差，成本高低成本，易获取穿透性好，太阳能利用适用材料、等适用材料、等需上转换材料辅助TiO₂ZnO g-C₃N₄CdS反应体系与技术集成光电催化光热催化外加电场辅助电荷分离热能与光能协同作用磁光催化声光催化磁场辅助回收与分离超声波增强传质效果实验室评价与工业应用差异反应规模从毫升级扩大到立方米级别光源条件从模拟光源到自然光照反应器设计流动床、固定床等工程设计成本控制催化剂、能耗、设备投入等考量商用无机光催化产品案例自洁玻璃空气净化器水处理装置涂层高层建筑玻璃滤网去除甲醛等有害气体基于的有机污染物降解系统TiO₂TiO₂ZnO新型无机光催化剂研究趋势原子精度调控定向调控活性位，操控反应路径单原子催化剂最大原子利用率，高选择性二维层状材料暴露活性位点多，光生载流子转移快新型杂化结构多组分协同催化，高效能量利用三元杂化与耦合体系探索三元体系提供多重界面与能级匹配实现宽光谱利用与高效电荷转移先进表征技术一原位光谱红外光谱紫外可见光谱表面吸附物种实时监测能带结构与光吸收变化1234拉曼光谱射线吸收谱X分子振动模式与键合状态元素价态与局部结构转变先进表征技术二电子显微球差校正TEM原位环境TEM原子分辨率成像反应条件下结构演变单原子催化位点观察气-固界面过程观察表面缺陷精确表征催化剂动态行为监测理论模拟与材料设计密度泛函理论动力学蒙特卡洛分子动力学能带结构计算反应网络模拟电荷传输动态过程吸附能与活化能获取产物分布预测界面作用模拟反应路径预测时间尺度跨越溶剂效应研究国际前沿团队与最新代表性进展人工光合作用太阳能制氢还原CO₂日本大阪大学团队太阳能转化效率突破美国伯克利实验室无偏压效率达德国马普研究所开发选择性转化体8%CO₂系10%中国在无机光催化领域的重要突破中科院大连化物所窄带隙光催化剂设计与还原CO₂南京大学单原子催化中心与界面电荷转移研究清华大学光催化反应构效关系与理论模拟中科院理化所原位表征技术与反应机制研究工业化面临的挑战及瓶颈系统集成整体工艺优化规模化生产催化剂均一性与稳定性反应选择性控制产物分布光能利用太阳能转化效率低绿色制备与可持续发展绿色溶剂低温合成水相合成取代有机溶剂减少能源消耗与碳排放替代有毒元素回收再利用避免、等重金属使用催化剂循环使用减少废弃Cd Pb智能化与自驱动光催化机器学习辅助设计自驱动光催化系统高通量筛选催化剂组分光伏光催化集成-预测材料性能与结构关系无外部能源输入优化合成条件与反应参数便携式水处理装置无机光催化剂的未来应用趋势人工光合作用光控药物释放智能响应材料模拟自然光合过程，精准靶向治疗，减少环境自适应，多重功高效太阳能转化副作用能集成建筑一体化墙面净化空气，窗户自清洁行业规范与政策支持国家重点研发计划支持前沿基础研究光催化标准体系建设推动产业规范化课程内容总结前沿进展应用领域新兴材料、表征技术与理论材料体系环保、能源与合成化学应用模拟基础理论典型无机光催化剂及改性策光催化原理、机制与影响因略素主要文献与参考资料经典教科书《光催化原理与应用》，《无机材料化学》高影响因子论文Nature Catalysis,JACS,Angewandte Chemie数据库资源Materials Project,Catalysis-Hub.org在线教程光催化公开课，中国大学MIT MOOC。