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第1章 光催化基础1

1.1 光催化的历史1

1.1.1 光催化现象的发现1

1.1.2 能源危机带来的发展机遇1

1.1.3 环境危机带来的机遇2

1.1.4 超级细菌和流行病毒的新对策2

1.2 光催化基本概念3

1.2.1 光催化剂和光催化反应3

1.2.2 固体能带结构3

1.2.3 光生电子、光生空穴和复合中心3

1.3 光催化的应用领域4

1.3.1 环境净化应用4

1.3.2 微生物杀菌净化5

1.3.3 表面自清洁净化5

1.3.4 能源催化应用6

1.4 光催化的发展趋势6

1.4.1 新型光催化材料探索7

1.4.2 光催化过程活性和能效的提高7

1.4.3 光催化实际应用拓展7

1.4.4 光催化技术的前景7

参考文献8

第2章 光催化原理9

2.1 光催化反应的基元过程9

2.1.1 光催化反应过程9

2.1.2 反应过程的影响因素12

2.1.3 从基元过程到探索高能效和高活性光催化剂的新思路15

2.2 半导体能带理论18

2.2.1 能带理论18

2.2.2 带边位置18

2.2.3 量子尺寸效应19

2.2.4 电荷的传输与陷阱20

2.2.5 空间电荷层和能带弯曲20

2.2.6 电荷界面转移过程20

2.2.7 光化学腐蚀反应21

2.3 半导体的光学性质21

2.3.1 光的吸收波长21

2.3.2 光吸收的强度22

2.3.3 光与光催化剂的相互作用——光物理过程与化学过程22

2.4 光子激发与电荷迁移过程22

2.4.1 光子激发过程22

2.4.2 光生空穴和电子的分离、迁移、复合过程22

2.5 表面吸附和反应23

2.6 光催化与纳米材料24

2.6.1 纳米尺度与光吸收24

2.6.2 纳米尺度与分离效率24

2.6.3 纳米尺度与表面活性24

2.7 光催化氧化反应机理25

2.7.1 光催化氧化模型25

2.7.2 超氧自由基降解机理25

2.7.3 羟基自由基降解机理25

2.7.4 空穴直接氧化降解机理27

2.7.5 气相体系的光催化反应原理27

2.7.6 液相体系的光催化反应原理27

2.8 光催化杀菌原理28

2.9 光催化自清洁原理28

2.10 光催化太阳能转换原理30

2.10.1 光解水制氢原理30

2.10.2 染料敏化太阳能电池30

2.10.3 CO2的光还原原理32

2.11 光催化反应活性的影响因素32

2.11.1 光催化剂的晶型和晶面33

2.11.2 光催化剂的结晶性33

2.11.3 比表面积及其吸附作用34

2.11.4 pH值的影响34

2.11.5 反应温度的影响34

2.12 光催化反应动力学过程35

参考文献35

第3章 TiO2光催化材料可控合成39

3.1 TiO2光催化材料的晶体结构和性能39

3.1.1 TiO2的晶体结构39

3.1.2 TiO2的电子结构40

3.1.3 TiO2的光学特性40

3.1.4 TiO2的理论设计40

3.1.5 能带结构的理论计算40

3.1.6 能带结构的调控40

3.2 TiO2光催化材料的可控合成40

3.2.1 气相法制备TiO241

3.2.2 液相法制备TiO244

3.2.3 醇解法制备TiO2纳米粉体光催化剂47

3.3 TiO2纳米管结构的控制合成54

3.3.1 模板法54

3.3.2 水热法54

3.3.3 阳极氧化法55

3.4 TiO2纤维的制备方法56

3.4.1 钛酸酯晶须脱碱法56

3.4.2 溶胶-凝胶法57

3.4.3 水热法及溶剂热法59

3.4.4 其它制备方法59

3.5 核壳结构TiO2的控制合成59

3.5.1 TiO2作为核的核壳体系60

3.5.2 TiO2作为壳层的核壳体系61

3.5.3 TiO2作为核壳结构载体的体系62

3.6 介孔结构TiO2的合成62

3.6.1 模板剂方法62

3.6.2 钛酸酯-十八胺法制备中孔纳米TiO2粉体63

3.6.3 P123制备纳米TiO2介孔材料64

3.7 可见光响应纳米TiO2光催化材料的合成64

3.7.1 金属离子掺杂65

3.7.2 非金属元素掺杂66

3.7.3 非金属元素的单质掺杂66

3.7.4 非金属元素的共掺杂68

3.7.5 离子注入68

3.7.6 表面光敏化69

3.7.7 表面杂化71

3.8 TiO2光催化材料的应用72

3.8.1 在空气净化上的应用72

3.8.2 在污水处理上的应用72

3.8.3 在化妆品上的应用72

参考文献72

第4章 TiO2薄膜光催化材料78

4.1 薄膜光催化材料的特点79

4.1.1 比表面积小79

4.1.2 吸附能力弱79

4.1.3 反应活性低79

4.2 TiO2薄膜光催化材料的制备80

4.2.1 物理镀膜法80

4.2.2 化学方法81

4.3 薄膜与基底的相互作用85

4.3.1 薄膜与金属基底的相互作用85

4.3.2 薄膜与玻璃基底的相互作用89

4.3.3 薄膜与柔性基底的相互作用93

4.4 多孔及介孔薄膜光催化材料的合成方法94

4.4.1 软模板法94

4.4.2 硬模板法96

4.5 TiO2纳米管阵列光催化薄膜96

4.5.1 模板法制备TiO2纳米管阵列96

4.5.2 在基底物质表面制备TiO2纳米管阵列97

4.5.3 阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列97

4.5.4 钛合金氧化制备复合金属氧化物纳米管阵列97

4.5.5 自组装制备特殊功能TiO2纳米管阵列98

4.6 可见光响应型TiO2薄膜98

4.6.1 金属离子掺杂99

4.6.2 非金属离子掺杂99

4.7 氮掺杂可见光响应型二氧化钛的制备方法100

4.7.1 溅射法制备掺氮TiO2100

4.7.2 脉冲激光沉积100

4.7.3 加热法101

4.7.4 离子注入法101

4.8 薄膜光催化剂的应用101

4.8.1 在抗菌上的应用101

4.8.2 TiO2薄膜自清洁作用101

4.8.3 TiO2薄膜可作为亲水防雾涂层102

参考文献102

第5章 TiO2光催化材料的活性提高105

5.1 影响光催化材料活性的主要因素105

5.2 TiO2晶相结构与缺陷的控制106

5.3 能带位置对光催化性能的影响107

5.4 晶粒大小的控制109

5.4.1 光生载流子的输运109

5.4.2 吸附能力的改变109

5.4.3 晶粒尺寸对能隙的影响109

5.5 阳离子掺杂110

5.5.1 稀土离子掺杂110

5.5.2 过渡金属离子掺杂114

5.6 阴离子掺杂116

5.6.1 氮的掺杂117

5.6.2 硫的掺杂117

5.6.3 卤素的掺杂118

5.6.4 碳的掺杂118

5.7 表面贵金属改性118

5.7.1 贵金属纳米颗粒的表面沉积118

5.7.2 表面等离子体共振吸收119

5.7.3 电荷迁移的增强效应120

5.7.4 负载贵金属后的光催化活性和选择性121

5.7.5 不同负载方法对光催化活性和选择性的影响121

5.8 半导体的表面光敏化技术122

5.8.1 染料敏化122

5.8.2 酞菁敏化122

5.9 半导体的异质结复合技术122

5.9.1 半导体的表面异质结122

5.9.2 异质结促进活性提高的原理123

5.9.3 SnO2/TiO2异质结体系123

5.9.4 界面复合（TiO2/SnO2/glass、SnO2/TiO2/glass）123

5.9.5 复合顺序对光催化活性的影响124

5.9.6 复合样品内外层厚度对光催化活性的影响124

5.10 影响反应活性的环境因素126

5.10.1 光源与光强126

5.10.2 有机物浓度127

5.10.3 pH值127

5.10.4 温度127

5.10.5 其它影响因素127

5.11 辅助能量场对TiO2光催化反应的影响128

5.11.1 热场128

5.11.2 电场128

5.11.3 微波场129

5.11.4 超声场129

参考文献130

第6章 TiO2光催化材料的能效提高133

6.1 离子掺杂技术133

6.1.1 TiO2的本征吸收134

6.1.2 离子掺杂类型对二氧化钛光催化活性的影响137

6.1.3 离子掺杂的方法139

6.2 染料光敏化144

6.2.1 TiO2光敏化的机理145

6.2.2 无机化合物敏化剂145

6.2.3 有机染料敏化剂146

6.2.4 金属有机配合物敏化剂147

6.2.5 复合光敏化剂148

6.3 表面杂化149

6.3.1 TiO2/C60149

6.3.2 TiO2/C149

6.3.3 TiO2/PANI150

6.4 半导体的异质结复合150

6.4.1 复合半导体的模型结构151

6.4.2 CdS半导体的光电性能与光腐蚀过程152

6.4.3 CdS-TiO2复合半导体的电子传输机理153

6.4.4 CdS-TiO2复合半导体的合成方法153

参考文献155

第7章 新型光催化材料的探索159

7.1 新型光催化材料探索的重要性159

7.1.1 TiO2光催化材料的局限性159

7.1.2 复合氧化物的优势以及研究现状159

7.2 钽铌钙钛矿结构光催化材料160

7.2.1 碱金属钽酸盐复合氧化物161

7.2.2 碱土金属钽酸盐复合氧化物168

7.2.3 金属铌酸盐复合氧化物177

7.3 钨钼钒系光催化材料180

7.3.1 钨酸盐系光催化材料180

7.3.2 钼酸盐系光催化材料217

7.4 含氧酸盐光催化材料226

7.4.1 水热法制备Bi PO4及其光催化性能226

7.4.2 水热法制备Bi2O2（OH）NO3及其光催化性能229

7.5 石墨结构C3 N4（g-C3 N4）聚合物光催化材料235

参考文献237

第8章 光电协同作用提高光催化材料的降解性能240

8.1 光电协同催化基础240

8.2 光电协同催化原理241

8.2.1 电场辅助光催化过程242

8.2.2 光电协同催化氧化过程242

8.3 光电协同催化实验242

8.3.1 光电协同催化电极242

8.3.2 光电协同反应设备245

8.3.3 光电协同催化反应的影响因素246

8.4 Bi2WO6薄膜的光电协同催化249

8.4.1 Bi2WO6薄膜的表征249

8.4.2 Bi2WO6薄膜对4-CP的光电协同催化降解250

8.4.3 Bi2WO6薄膜的稳定性分析253

8.5 TiO2纳米管阵列的光电协同催化253

8.5.1 TiO2纳米管阵列的制备254

8.5.2 TiO2纳米管阵列光电性能研究254

8.5.3 TiO2纳米管阵列的修饰改性256

8.6 光电协同催化的环境净化266

8.6.1 光电协同催化污水净化应用266

8.6.2 光电协同催化存在的问题267

参考文献268

第9章 表面杂化及其光催化性能的提高272

9.1 共轭π材料的结构和电子性能272

9.2 表面杂化作用机理272

9.3 C 60的表面杂化273

9.3.1 C60的性质和结构特点273

9.3.2 简单氧化物光催化剂的C 60表面杂化274

9.3.3 新型复合氧化物光催化剂的C 60表面杂化286

9.4 类石墨碳的表面杂化289

9.4.1 类石墨碳的性质和结构特点289

9.4.2 简单氧化物光催化剂的类石墨碳表面杂化289

9.5 聚苯胺的表面杂化301

9.5.1 聚苯胺的性质和结构特点301

9.5.2 简单氧化物光催化剂的PANI表面杂化302

9.6 石墨烯的表面杂化312

9.6.1 石墨烯的性质及结构特点312

9.6.2 简单氧化物光催化剂的石墨烯表面杂化312

9.7 C3N4的表面杂化319

9.7.1 C3N4的性质及结构特点319

9.7.2 简单氧化物光催化剂的C3 N4表面杂化319

参考文献325

第10章 光催化材料的理论计算研究方法327

10.1 半导体的能带理论327

10.1.1 半导体与带隙327

10.1.2 导带和价带电位估算328

10.1.3 载流子的有效质量329

10.1.4 缺陷浓度与缺陷形成能329

10.2 光催化理论计算的信息331

10.2.1 能带结构及态密度分布331

10.2.2 光学性质333

10.2.3 缺陷形成能与化学势334

10.3 理论计算方法335

10.3.1 基于密度泛函理论的第一性原理概述335

10.3.2 第一性原理计算流程336

10.3.3 基于密度泛函理论计算软件包CASTEP和SIESTA软件337

10.4 氧化物半导体光催化材料的能带计算339

10.4.1 d0氧化物339

10.4.2 d10氧化物341

10.4.3 其它氧化物343

10.5 二氧化钛点缺陷结构的理论研究347

10.5.1 几何结构348

10.5.2 本征缺陷能349

10.6 非金属单掺杂TiO2的电子结构352

10.6.1 物理模型352

10.6.2 缺陷形成能352

10.6.3 电子结构354

10.7 非金属与过渡金属共掺杂TiO2的电子结构356

10.7.1 物理模型356

10.7.2 共掺杂的束缚能356

10.7.3 共掺杂的电子结构357

10.8 共掺杂的协同效应研究359

10.8.1 物理模型359

10.8.2 共掺杂缺陷形成能360

10.8.3 电子结构362

10.8.4 光学性质363

参考文献364

第11章 光催化材料的表征方法366

11.1 光催化材料的成分分析方法366

11.1.1 X射线荧光光谱法366

11.1.2 原子吸收光谱法368

11.1.3 等离子体质谱法369

11.1.4 电子探针分析法370

11.2 光催化材料的物相结构的表征371

11.2.1 X射线晶体衍射371

11.2.2 电子衍射分析377

11.2.3 拉曼光谱分析378

11.3 表面与价键分析380

11.3.1 红外光谱分析380

11.3.2 X射线光电子能谱382

11.3.3 俄歇电子能谱387

11.4 分散度及形貌分析393

11.4.1 扫描电镜393

11.4.2 透射电镜395

11.4.3 原子力显微镜398

11.4.4 粒度分析仪399

11.5 光吸收性能研究401

11.6 光催化材料的热分析方法402

11.7 比表面和孔分布研究403

参考文献404

第12章 光催化性能评价研究方法406

12.1 光催化机理研究406

12.1.1 紫外-可见漫反射光谱法406

12.1.2 荧光光谱：缺陷结构与寿命409

12.1.3 表面光电压谱412

12.1.4 表面光电流415

12.1.5 交流阻抗谱417

12.1.6 平带电位419

12.1.7 自由基与空穴捕获研究420

12.1.8 时间分辨光电导谱（TRPC）423

12.2 光催化反应过程中的产物分析424

12.2.1 高效液相色谱方法424

12.2.2 色谱/质谱联用技术424

12.2.3 离子色谱427

12.2.4 总有机碳分析428

12.3 光源与光催化反应器429

12.3.1 光源与光谱器件429

12.3.2 光催化反应器430

12.4 光催化材料性能评价431

12.4.1 液相光催化活性评价方法432

12.4.2 气相光催化活性评价方法434

12.4.3 光解水制氢性能评价435

12.4.4 光催化自清洁性能评价方法436

12.4.5 光催化抗菌性能测试437

参考文献439

第13章 光催化材料的环境净化应用442

13.1 光催化对有毒有害物的分解反应442

13.1.1 挥发性有机化合物442

13.1.2 内分泌干扰物446

13.1.3 持久性有机污染物（POPs）448

13.2 光催化在空气净化方面的应用452

13.2.1 甲醛净化453

13.2.2 甲苯净化454

13.3 光催化在水净化方面的应用454

13.3.1 表面活性剂454

13.3.2 染料废水455

13.3.3 农药废水456

13.4 光催化降解复合技术456

13.4.1 光催化降解净化456

13.4.2 光电协同催化降解净化456

13.4.3 臭氧协同光催化降解457

13.4.4 双氧水协同光催化降解457

13.4.5 Fenton光催化降解457

13.5 光催化降解的应用458

13.5.1 生活饮用水的净化458

13.5.2 低浓度高毒性污水的净化458

13.6 光催化在建筑材料方面的应用460

13.6.1 自清洁玻璃460

13.6.2 自清洁涂料461

13.7 光催化在抗菌净化方面的应用462

13.7.1 抗菌陶瓷463

13.7.2 抗菌玻璃463

13.7.3 抗菌不锈钢463

13.7.4 抗菌塑料463

13.7.5 抗菌涂料463

13.7.6 其它463

参考文献464

第14章 光催化新能源467

14.1 光催化水分解制氢反应467

14.1.1 光催化分解水制氢基本原理467

14.1.2 提高光催化剂分解水制氢效率的方法470

14.1.3 粉体光催化剂分解水制氢472

14.1.4 光电催化分解水制氢475

14.2 太阳能光伏电池477

14.2.1 染料敏化太阳能电池477

14.2.2 其它太阳能电池483

14.3 二氧化碳的能源利用485

14.3.1 还原CO2方法的概述485

14.3.2 光催化还原CO2的催化体系487

参考文献489

第15章 光催化可降解塑料研究494

15.1 光催化可降解塑料原理494

15.2 聚苯乙烯（PS）可降解塑料495

15.2.1 紫外降解过程和产物分析495

15.2.2 可见光降解研究500

15.3 聚乙烯可降解塑料504

15.3.1 PE-TiO2薄膜在紫外光及日光下的光催化降解研究504

15.3.2 PE-（TiO2/CuPc）薄膜在日光下的光催化降解研究510

15.3.3 改善聚乙烯薄膜降解性能的其它相关研究514

15.4 基于光催化的可降解塑料的进展517

15.4.1 直接利用纳米TiO2作为光催化剂517

15.4.2 改性纳米TiO2作为光催化剂518

参考文献521

索引523