以凹凸棒石为载体光催化的构筑及其光生电荷特性的研究
目前，随着社会的不断发展，化石能源被大量使用，化石能源燃烧后的产物对环境造成了巨大的污染。为了解决污染问题，人们开始研究污染处理技术，半导体光催化技术是近年来开始兴起的一项技术。根据半导体受光照射吸收能量降解有机物的原理，选择合适的半导体对有机物进行降解，处理污染。但是纳米半导体材料容易团聚，所以为了增加半导体的催化效果，意将半导体催化剂负载到凹凸棒石载体上，制成复合材料。本实验就是合成TiO2/凹土复合材料，通过改变TiO2的含量，寻找最合适的负载比例。并且研究其催化降解亚甲基蓝的能力。并对复合样品光生电荷特性进行了研究。关键词 光催化降解有机物，半导体催化剂，凹凸棒石，TiO2/凹土复合材料
目录
1 绪论 2
1.1 光催化反应 3
1.1.1 光催化的背景 3
1.1.2 光催化反应的种类 3
1.1.3 光催化的原理 3
1.1.4光催化的反应过程 4
1.1.5 光催化剂的种类及选择 5
1.2 纳米TiO2的结构及合成方法和应用 6
1.2.1 纳米TiO2的结构 6
1.2.2 纳米TiO2的制备 6
1.2.3纳米TiO2的应用 7
1.3 凹土的结构特点 7
1.4 凹凸棒石复合材料的合成方法 9
1.5半导体光催化反应的影响因素 9
1.6 课题的指导思想 10
2 实验内容 11
2.1 实验药品及仪器 11
2.2 实验步骤及流程 12
2.2.1 SiO2负载凹土的制备 12
2.2.2 溶胶凝胶法制备SiO2/TiO2 ATP复合材料 12
2.2.3催化 12
2.2.4 HF处理 13
2.3 样品表征与性能测试 13
2.3.1 XRD分析 13
2.3.2 紫外分析 13
2.3.3 扫描电子显微镜（SEM） 13
2.3.4 红外分析 13
3 结果与讨论 13
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
对SiO2ATP的表征 13
3.1.1 SiO2ATP的XRD表征 13
3.1.2对SiO2ATP的形貌的表征 14
3.2 对SiO2/TiO2ATP复合样品的表征 15
3.2.1 不同方法合成的SiO2/TiO2ATP XRD的表征 15
3.2.2 SiO2/TiO2ATP复合材料的电镜的表征 15
3.2.3 SiO2/TiO2ATP复合材料的紫外可见吸收光谱 16
3.2.4 SiO2/TiO2ATP复合材料的光催化活性测试 17
3.2.5 SiO2/TiO2ATP复合材料的光生电荷特性的研究 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 绪论
在之前人类的发展过程中，化石能源一直广泛的被人类使用，由于长时间大量使用化石能源，导致人类忽略了对其他能源的开发，随着工业化的发展，人们更加频繁的使用化石能源，但是化石能源燃烧之后的产物对环境造成了巨大的污染，导致了生存环境不断的恶化。最广为人知的就是全球变暖，臭氧层被破坏等现象。为了保护人类的生存环境，阻止污染更加严重，需要实现可持续性发展。光催化技术就是在这种背景下发展起来的一种技术。光催化的材料为半导体，半导体在表面受到光照的时候可以氧化降解有机物，还原离子，从而达到杀菌，除异味的效果[1]。半导体光催化降解污染物方面具有着很多优点，如催化对象广泛，不生成二次污染物，原材料无毒，价格低廉，易于储存，可重复利用等。因此，光催化技术有着广泛的应用前景如抗菌，净水，净化空气，改善环境等方面[26]。目前，光催化剂的材料有很多种，如TiO2，ZnO，CdS，WO3，SnO2，FeO3等，在应用时根据不同材料的不同特性选择合适的催化剂。其中TiO2 的活性较高，不容易被光腐蚀，且材料廉价易得，是较为普遍的选择[710]。
1.1 光催化反应
1.1.1 光催化的背景
Fujishima[11]等人探索把二氧化钛当作电极分解水时发现光催化现象[2]，根据植物光合作用的原理设计一个太阳光伏电池,在水中有一个铂电极和一个电子型半导体二氧化钛电极。二氧化钛电极和铂电极上都产生了气体，在二氧化钛电极处在波长低于415 nm的光照下，通过测定发现铂电极上生成的气体是氢气，二氧化钛电极上生成的气体是氧气。后经过研究发现，在光照下，以半导体二氧化钛作为阳极时能够产生了具有氧化还原能力的电子空穴对。二氧化钛能得到将太阳能转化为化学反应的能量，可以说二氧化钛半导体充当该反应的催化剂，在反应过程中，二氧化钛半导体以类似于一种媒介，在反应前后不发生任何变化，。经过大量的研究发现，在不加外电压，仅在光照下二氧化钛能使得水发生分解反应[12]，光催化也开始发展起来。到目前为止，发现的如ZnO、BiVO4、WO3、Ta3N5等能够光催化的物质基本上都是半导体材料，并且，以半导体材料为光电极的光电化学分解水的技术也开始快速发展。
1.1.2 光催化反应的种类
光催化反应的种类分为两种，分别为敏化光反应和催化光反应。敏化光反应是指半导体表面的分子先反应，然后再和半导体产生反应。催化光反应是指光照射在半导体上生成电子空穴对，然后再把能量转移到表面。纳米TiO2光催化过程中这两种反应同时存在。
1.1.3 光催化的原理
在原子中，原子核外的电子按照能量分成不同的壳层，每层容纳一定数量的电子。晶体中大量原子聚集在一起，表面的壳层交叠在一起，使得电子转移到相邻电子的相似壳层上，从而上本为同一能量状态的电子产生能量差异，形成能带。允许电子占据的能带成为允许带，允许带中间不能占据的地方成为禁带，电子按照从内向外的方式占据允许带，被占据的允许带叫做满带，没有电子的成为空带。最外层的电子称为价电子，所在能带称为价带。价带以上能量最低的允许带为导带，价带和导带之间为禁带。当用能量大于禁带宽度的光照射的时候，电子获得能量，从价带跃迁到导带上，同时在价带上生成对应的空穴，称为光生电子空穴对。光生电子空穴对与周围环境作用如OH－或H2O发生反应生成OH，具有很强的氧化性，可以氧化有机物并使其矿化。光催化反应必须要满足以下几个要求：受体电势比半导体导带电势要低，供体电势比半导体价带电势要高，其次，电子一空穴对的复合速率小于电子空一穴对与表面物质的反应速率。而且，半导体表面要对反应物质有一定的吸附能力。
目录
1 绪论 2
1.1 光催化反应 3
1.1.1 光催化的背景 3
1.1.2 光催化反应的种类 3
1.1.3 光催化的原理 3
1.1.4光催化的反应过程 4
1.1.5 光催化剂的种类及选择 5
1.2 纳米TiO2的结构及合成方法和应用 6
1.2.1 纳米TiO2的结构 6
1.2.2 纳米TiO2的制备 6
1.2.3纳米TiO2的应用 7
1.3 凹土的结构特点 7
1.4 凹凸棒石复合材料的合成方法 9
1.5半导体光催化反应的影响因素 9
1.6 课题的指导思想 10
2 实验内容 11
2.1 实验药品及仪器 11
2.2 实验步骤及流程 12
2.2.1 SiO2负载凹土的制备 12
2.2.2 溶胶凝胶法制备SiO2/TiO2 ATP复合材料 12
2.2.3催化 12
2.2.4 HF处理 13
2.3 样品表征与性能测试 13
2.3.1 XRD分析 13
2.3.2 紫外分析 13
2.3.3 扫描电子显微镜（SEM） 13
2.3.4 红外分析 13
3 结果与讨论 13
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
对SiO2ATP的表征 13
3.1.1 SiO2ATP的XRD表征 13
3.1.2对SiO2ATP的形貌的表征 14
3.2 对SiO2/TiO2ATP复合样品的表征 15
3.2.1 不同方法合成的SiO2/TiO2ATP XRD的表征 15
3.2.2 SiO2/TiO2ATP复合材料的电镜的表征 15
3.2.3 SiO2/TiO2ATP复合材料的紫外可见吸收光谱 16
3.2.4 SiO2/TiO2ATP复合材料的光催化活性测试 17
3.2.5 SiO2/TiO2ATP复合材料的光生电荷特性的研究 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 绪论
在之前人类的发展过程中，化石能源一直广泛的被人类使用，由于长时间大量使用化石能源，导致人类忽略了对其他能源的开发，随着工业化的发展，人们更加频繁的使用化石能源，但是化石能源燃烧之后的产物对环境造成了巨大的污染，导致了生存环境不断的恶化。最广为人知的就是全球变暖，臭氧层被破坏等现象。为了保护人类的生存环境，阻止污染更加严重，需要实现可持续性发展。光催化技术就是在这种背景下发展起来的一种技术。光催化的材料为半导体，半导体在表面受到光照的时候可以氧化降解有机物，还原离子，从而达到杀菌，除异味的效果[1]。半导体光催化降解污染物方面具有着很多优点，如催化对象广泛，不生成二次污染物，原材料无毒，价格低廉，易于储存，可重复利用等。因此，光催化技术有着广泛的应用前景如抗菌，净水，净化空气，改善环境等方面[26]。目前，光催化剂的材料有很多种，如TiO2，ZnO，CdS，WO3，SnO2，FeO3等，在应用时根据不同材料的不同特性选择合适的催化剂。其中TiO2 的活性较高，不容易被光腐蚀，且材料廉价易得，是较为普遍的选择[710]。
1.1 光催化反应
1.1.1 光催化的背景
Fujishima[11]等人探索把二氧化钛当作电极分解水时发现光催化现象[2]，根据植物光合作用的原理设计一个太阳光伏电池,在水中有一个铂电极和一个电子型半导体二氧化钛电极。二氧化钛电极和铂电极上都产生了气体，在二氧化钛电极处在波长低于415 nm的光照下，通过测定发现铂电极上生成的气体是氢气，二氧化钛电极上生成的气体是氧气。后经过研究发现，在光照下，以半导体二氧化钛作为阳极时能够产生了具有氧化还原能力的电子空穴对。二氧化钛能得到将太阳能转化为化学反应的能量，可以说二氧化钛半导体充当该反应的催化剂，在反应过程中，二氧化钛半导体以类似于一种媒介，在反应前后不发生任何变化，。经过大量的研究发现，在不加外电压，仅在光照下二氧化钛能使得水发生分解反应[12]，光催化也开始发展起来。到目前为止，发现的如ZnO、BiVO4、WO3、Ta3N5等能够光催化的物质基本上都是半导体材料，并且，以半导体材料为光电极的光电化学分解水的技术也开始快速发展。
1.1.2 光催化反应的种类
光催化反应的种类分为两种，分别为敏化光反应和催化光反应。敏化光反应是指半导体表面的分子先反应，然后再和半导体产生反应。催化光反应是指光照射在半导体上生成电子空穴对，然后再把能量转移到表面。纳米TiO2光催化过程中这两种反应同时存在。
1.1.3 光催化的原理
在原子中，原子核外的电子按照能量分成不同的壳层，每层容纳一定数量的电子。晶体中大量原子聚集在一起，表面的壳层交叠在一起，使得电子转移到相邻电子的相似壳层上，从而上本为同一能量状态的电子产生能量差异，形成能带。允许电子占据的能带成为允许带，允许带中间不能占据的地方成为禁带，电子按照从内向外的方式占据允许带，被占据的允许带叫做满带，没有电子的成为空带。最外层的电子称为价电子，所在能带称为价带。价带以上能量最低的允许带为导带，价带和导带之间为禁带。当用能量大于禁带宽度的光照射的时候，电子获得能量，从价带跃迁到导带上，同时在价带上生成对应的空穴，称为光生电子空穴对。光生电子空穴对与周围环境作用如OH－或H2O发生反应生成OH，具有很强的氧化性，可以氧化有机物并使其矿化。光催化反应必须要满足以下几个要求：受体电势比半导体导带电势要低，供体电势比半导体价带电势要高，其次，电子一空穴对的复合速率小于电子空一穴对与表面物质的反应速率。而且，半导体表面要对反应物质有一定的吸附能力。
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