光催化：環(huán)境凈化與綠色能源應(yīng)用探索
《光催化：環(huán)境凈化與綠色能源應(yīng)用探索》基于作者們?cè)诠獯呋I(lǐng)域的多年積累，以光催化的發(fā)展歷史、光催化基本原理作為基礎(chǔ)，重點(diǎn)探討了各種光催化材料的制備、性能及應(yīng)用，其中包括經(jīng)典的二氧化鈦納米材料的制備、改性、復(fù)合、雜化以及光電協(xié)同催化性能等，同時(shí)深入介紹了可見(jiàn)光催化劑，包括復(fù)合氧化物及其改性研究方面的新發(fā)展，還詳細(xì)介紹了光催化材料物性表征的各種手段，以及光催化機(jī)理和光催化性能的表征技術(shù)和方法。
書中介紹的很多內(nèi)容是作者研究組的研究成果，反映了該領(lǐng)域的前沿和研究關(guān)注的問(wèn)題。本書內(nèi)容豐富，素材翔實(shí)，層次分明，可作為高等院�；瘜W(xué)和材料專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的課外讀物，對(duì)從事光催化材料制備和應(yīng)用研究的科研工作者具有重要的參考價(jià)值。
《光催化：環(huán)境凈化應(yīng)用與綠色能源探索》屬國(guó)家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助項(xiàng)目，是作者及其研究團(tuán)隊(duì)20多年來(lái)在光催化領(lǐng)域研究的總結(jié)，內(nèi)容涉及光催化理論、光催化材料、光催化技術(shù)以及光催化的應(yīng)用。
第1章 光催化基礎(chǔ)1
1.1光催化的歷史1
1.1.1光催化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1
1.1.2能源危機(jī)帶來(lái)的發(fā)展機(jī)遇1
1.1.3環(huán)境危機(jī)帶來(lái)的機(jī)遇2
1.1.4超級(jí)細(xì)菌和流行病毒的新對(duì)策2
1.2光催化基本概念3
1.2.1光催化劑和光催化反應(yīng)3
1.2.2固體能帶結(jié)構(gòu)3
1.2.3光生電子、光生空穴和復(fù)合中心3
1.3光催化的應(yīng)用領(lǐng)域4
1.3.1環(huán)境凈化應(yīng)用4
1.3.2微生物殺菌凈化5
1.3.3表面自清潔凈化5
1.3.4能源催化應(yīng)用6
1.4光催化的發(fā)展趨勢(shì)6
1.4.1新型光催化材料探索7
1.4.2光催化過(guò)程活性和能效的提高7
1.4.3光催化實(shí)際應(yīng)用拓展7
1.4.4光催化技術(shù)的前景7
參考文獻(xiàn)8
第2章 光催化原理9
2.1光催化反應(yīng)的基元過(guò)程9
2.1.1光催化反應(yīng)過(guò)程9
2.1.2反應(yīng)過(guò)程的影響因素12
2.1.3從基元過(guò)程到探索高能效和高活性光催化劑的新思路15
2.2半導(dǎo)體能帶理論18
2.2.1能帶理論18
2.2.2帶邊位置18
2.2.3量子尺寸效應(yīng)19
2.2.4電荷的傳輸與陷阱20
2.2.5空間電荷層和能帶彎曲20
2.2.6電荷界面轉(zhuǎn)移過(guò)程20
2.2.7光化學(xué)腐蝕反應(yīng)21
2.3半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)21
2.3.1光的吸收波長(zhǎng)21
2.3.2光吸收的強(qiáng)度22
2.3.3光與光催化劑的相互作用——光物理過(guò)程與化學(xué)過(guò)程22
2.4光子激發(fā)與電荷遷移過(guò)程22
2.4.1光子激發(fā)過(guò)程22
2.4.2光生空穴和電子的分離、遷移、復(fù)合過(guò)程22
2.5表面吸附和反應(yīng)23
2.6光催化與納米材料24
2.6.1納米尺度與光吸收24
2.6.2納米尺度與分離效率24
2.6.3納米尺度與表面活性24
2.7光催化氧化反應(yīng)機(jī)理25
2.7.1光催化氧化模型25
2.7.2超氧自由基降解機(jī)理25
2.7.3羥基自由基降解機(jī)理25
2.7.4空穴直接氧化降解機(jī)理27
2.7.5氣相體系的光催化反應(yīng)原理27
2.7.6液相體系的光催化反應(yīng)原理27
2.8光催化殺菌原理28
2.9光催化自清潔原理28
2.10光催化太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換原理30
2.10.1光解水制氫原理30
2.10.2染料敏化太陽(yáng)能電池30
2.10.3CO2的光還原原理32
2.11光催化反應(yīng)活性的影響因素32
2.11.1光催化劑的晶型和晶面33
2.11.2光催化劑的結(jié)晶性33
2.11.3比表面積及其吸附作用34
2.11.4pH值的影響34
2.11.5反應(yīng)溫度的影響34
2.12光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程35
參考文獻(xiàn)35
第3章 TiO2光催化材料可控合成39
3.1TiO2光催化材料的晶體結(jié)構(gòu)和性能39
3.1.1TiO2的晶體結(jié)構(gòu)39
3.1.2TiO2的電子結(jié)構(gòu)40
3.1.3TiO2的光學(xué)特性40
3.1.4TiO2的理論設(shè)計(jì)40
3.1.5能帶結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算40
3.1.6能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控40
3.2TiO2光催化材料的可控合成40
3.2.1氣相法制備TiO241
3.2.2液相法制備TiO244
3.2.3醇解法制備TiO2納米粉體光催化劑47
3.3TiO2納米管結(jié)構(gòu)的控制合成54
3.3.1模板法54
3.3.2水熱法54
3.3.3陽(yáng)極氧化法55
3.4TiO2纖維的制備方法56
3.4.1鈦酸酯晶須脫堿法56
3.4.2溶膠凝膠法57
3.4.3水熱法及溶劑熱法59
3.4.4其它制備方法59
3.5核殼結(jié)構(gòu)TiO2的控制合成59
3.5.1TiO2作為核的核殼體系60
3.5.2TiO2作為殼層的核殼體系61
3.5.3TiO2作為核殼結(jié)構(gòu)載體的體系62
3.6介孔結(jié)構(gòu)TiO2的合成62
3.6.1模板劑方法62
3.6.2鈦酸酯十八胺法制備中孔納米TiO2粉體63
3.6.3P123制備納米TiO2介孔材料64
3.7可見(jiàn)光響應(yīng)納米TiO2光催化材料的合成64
3.7.1金屬離子摻雜65
3.7.2非金屬元素?fù)诫s66
3.7.3非金屬元素的單質(zhì)摻雜66
3.7.4非金屬元素的共摻雜68
3.7.5離子注入68
3.7.6表面光敏化69
3.7.7表面雜化71
3.8TiO2光催化材料的應(yīng)用72
3.8.1在空氣凈化上的應(yīng)用72
3.8.2在污水處理上的應(yīng)用72
3.8.3在化妝品上的應(yīng)用72
參考文獻(xiàn)72
第4章 TiO2薄膜光催化材料78
4.1薄膜光催化材料的特點(diǎn)79
4.1.1比表面積小79
4.1.2吸附能力弱79
4.1.3反應(yīng)活性低79
4.2TiO2薄膜光催化材料的制備80
4.2.1物理鍍膜法80
4.2.2化學(xué)方法81
4.3薄膜與基底的相互作用85
4.3.1薄膜與金屬基底的相互作用85
4.3.2薄膜與玻璃基底的相互作用89
4.3.3薄膜與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軟模板法94
4.4.2硬模板法96
4.5TiO2納米管陣列光催化薄膜96
4.5.1模板法制備TiO2納米管陣列96
4.5.2在基底物質(zhì)表面制備TiO2納米管陣列97
4.5.3陽(yáng)極氧化法制備TiO2納米管陣列97
4.5.4鈦合金氧化制備復(fù)合金屬氧化物納米管陣列97
4.5.5自組裝制備特殊功能TiO2納米管陣列98
4.6可見(jiàn)光響應(yīng)型TiO2薄膜98
4.6.1金屬離子摻雜99
4.6.2非金屬離子摻雜99
4.7氮摻雜可見(jiàn)光響應(yīng)型二氧化鈦的制備方法100
4.7.1濺射法制備摻氮TiO2100
4.7.2脈沖激光沉積100
4.7.3加熱法101
4.7.4離子注入法101
4.8薄膜光催化劑的應(yīng)用101
4.8.1在抗菌上的應(yīng)用101
4.8.2TiO2薄膜自清潔作用101
4.8.3TiO2薄膜可作為親水防霧涂層102
參考文獻(xiàn)102
第5章 TiO2光催化材料的活性提高105
5.1影響光催化材料活性的主要因素105
5.2TiO2晶相結(jié)構(gòu)與缺陷的控制106
5.3能帶位置對(duì)光催化性能的影響107
5.4晶粒大小的控制109
5.4.1光生載流子的輸運(yùn)109
5.4.2吸附能力的改變109
5.4.3晶粒尺寸對(duì)能隙的影響109
5.5陽(yáng)離子摻雜110
5.5.1稀土離子摻雜110
5.5.2過(guò)渡金屬離子摻雜114
5.6陰離子摻雜116
5.6.1氮的摻雜117
5.6.2硫的摻雜117
5.6.3鹵素的摻雜118
5.6.4碳的摻雜1185.7表面貴金屬改性118
5.7.1貴金屬納米顆粒的表面沉積118
5.7.2表面等離子體共振吸收119
5.7.3電荷遷移的增強(qiáng)效應(yīng)120
5.7.4負(fù)載貴金屬后的光催化活性和選擇性121
5.7.5不同負(fù)載方法對(duì)光催化活性和選擇性的影響121
5.8半導(dǎo)體的表面光敏化技術(shù)122
5.8.1染料敏化122
5.8.2酞菁敏化122
5.9半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)復(fù)合技術(shù)122
5.9.1半導(dǎo)體的表面異質(zhì)結(jié)122
5.9.2異質(zhì)結(jié)促進(jìn)活性提高的原理123
5.9.3SnO2/TiO2異質(zhì)結(jié)體系123
5.9.4界面復(fù)合（TiO2/SnO2/glass、SnO2/TiO2/glass）123
5.9.5復(fù)合順序?qū)獯呋钚缘挠绊?24
5.9.6復(fù)合樣品內(nèi)外層厚度對(duì)光催化活性的影響124
5.10影響反應(yīng)活性的環(huán)境因素126
5.10.1光源與光強(qiáng)126
5.10.2有機(jī)物濃度127
5.10.3pH值127
5.10.4溫度127
5.10.5其它影響因素127
5.11輔助能量場(chǎng)對(duì)TiO2光催化反應(yīng)的影響128
5.11.1熱場(chǎng)128
5.11.2電場(chǎng)128
5.11.3微波場(chǎng)129
5.11.4超聲場(chǎng)129
參考文獻(xiàn)130
第6章 TiO2光催化材料的能效提高133
6.1離子摻雜技術(shù)133
6.1.1TiO2的本征吸收134
6.1.2離子摻雜類型對(duì)二氧化鈦光催化活性的影響137
6.1.3離子摻雜的方法139
6.2染料光敏化144
6.2.1TiO2光敏化的機(jī)理145
6.2.2無(wú)機(jī)化合物敏化劑145
6.2.3有機(jī)染料敏化劑146
6.2.4金屬有機(jī)配合物敏化劑147
6.2.5復(fù)合光敏化劑148
6.3表面雜化149
6.3.1TiO2/C601496.3.2TiO2/C149
6.3.3TiO2/PANI150
6.4半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)復(fù)合150
6.4.1復(fù)合半導(dǎo)體的模型結(jié)構(gòu)151
6.4.2CdS半導(dǎo)體的光電性能與光腐蝕過(guò)程152
6.4.3CdSTiO2復(fù)合半導(dǎo)體的電子傳輸機(jī)理153
6.4.4CdSTiO2復(fù)合半導(dǎo)體的合成方法153
參考文獻(xiàn)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
7.1.1TiO2光催化材料的局限性159
7.1.2復(fù)合氧化物的優(yōu)勢(shì)以及研究現(xiàn)狀159
7.2鉭鈮鈣鈦礦結(jié)構(gòu)光催化材料160
7.2.1堿金屬鉭酸鹽復(fù)合氧化物161
7.2.2堿土金屬鉭酸鹽復(fù)合氧化物168
7.2.3金屬鈮酸鹽復(fù)合氧化物177
7.3鎢鉬釩系光催化材料180
7.3.1鎢酸鹽系光催化材料180
7.3.2鉬酸鹽系光催化材料217
7.4含氧酸鹽光催化材料226
7.4.1水熱法制備BiPO4及其光催化性能226
7.4.2水熱法制備Bi2O2(OH)NO3及其光催化性能229
7.5石墨結(jié)構(gòu)C3N4(gC3N4)聚合物光催化材料235
參考文獻(xiàn)237
第8章 光電協(xié)同作用提高光催化材料的降解性能240
8.1光電協(xié)同催化基礎(chǔ)240
8.2光電協(xié)同催化原理241
8.2.1電場(chǎng)輔助光催化過(guò)程242
8.2.2光電協(xié)同催化氧化過(guò)程242
8.3光電協(xié)同催化實(shí)驗(yàn)242
8.3.1光電協(xié)同催化電極242
8.3.2光電協(xié)同反應(yīng)設(shè)備245
8.3.3光電協(xié)同催化反應(yīng)的影響因素246
8.4Bi2WO6薄膜的光電協(xié)同催化249
8.4.1Bi2WO6薄膜的表征249
8.4.2Bi2WO6薄膜對(duì)4CP的光電協(xié)同催化降解250
8.4.3Bi2WO6薄膜的穩(wěn)定性分析253
8.5TiO2納米管陣列的光電協(xié)同催化 253
8.5.1TiO2納米管陣列的制備254
8.5.2TiO2納米管陣列光電性能研究254
8.5.3TiO2納米管陣列的修飾改性256
8.6光電協(xié)同催化的環(huán)境凈化266
8.6.1光電協(xié)同催化污水凈化應(yīng)用266
8.6.2光電協(xié)同催化存在的問(wèn)題267
參考文獻(xiàn)268
第9章 表面雜化及其光催化性能的提高272
9.1共軛π材料的結(jié)構(gòu)和電子性能272
9.2表面雜化作用機(jī)理272
9.3C60的表面雜化273
9.3.1C60的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)273
9.3.2簡(jiǎn)單氧化物光催化劑的C60表面雜化274
9.3.3新型復(fù)合氧化物光催化劑的C60表面雜化286
9.4類石墨碳的表面雜化289
9.4.1類石墨碳的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)289
9.4.2簡(jiǎn)單氧化物光催化劑的類石墨碳表面雜化289
9.5聚苯胺的表面雜化301
9.5.1聚苯胺的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)301
9.5.2簡(jiǎn)單氧化物光催化劑的PANI表面雜化302
9.6石墨烯的表面雜化312
9.6.1石墨烯的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)312
9.6.2簡(jiǎn)單氧化物光催化劑的石墨烯表面雜化312
9.7C3N4的表面雜化319
9.7.1C3N4的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)319
9.7.2簡(jiǎn)單氧化物光催化劑的 C3N4表面雜化319
參考文獻(xiàn)325
第10章 光催化材料的理論計(jì)算研究方法327
10.1半導(dǎo)體的能帶理論327
10.1.1半導(dǎo)體與帶隙327
10.1.2導(dǎo)帶和價(jià)帶電位估算328
10.1.3載流子的有效質(zhì)量329
10.1.4缺陷濃度與缺陷形成能329
10.2光催化理論計(jì)算的信息331
10.2.1能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度分布331
10.2.2光學(xué)性質(zhì)333
10.2.3缺陷形成能與化學(xué)勢(shì)334
10.3理論計(jì)算方法335
10.3.1基于密度泛函理論的第一性原理概述335
10.3.2第一性原理計(jì)算流程336
10.3.3基于密度泛函理論計(jì)算軟件包CASTEP和SIESTA軟件337
10.4氧化物半導(dǎo)體光催化材料的能帶計(jì)算339
10.4.1d0氧化物339
10.4.2d10氧化物341
10.4.3其它氧化物343
10.5二氧化鈦點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)的理論研究347
10.5.1幾何結(jié)構(gòu)348
10.5.2本征缺陷能349
10.6非金屬單摻雜TiO2的電子結(jié)構(gòu)352
10.6.1物理模型352
10.6.2缺陷形成能352
10.6.3電子結(jié)構(gòu)354
10.7非金屬與過(guò)渡金屬共摻雜TiO2的電子結(jié)構(gòu)356
10.7.1物理模型356
10.7.2共摻雜的束縛能356
10.7.3共摻雜的電子結(jié)構(gòu)357
10.8共摻雜的協(xié)同效應(yīng)研究359
10.8.1物理模型359
10.8.2共摻雜缺陷形成能360
10.8.3電子結(jié)構(gòu)362
10.8.4光學(xué)性質(zhì)363
參考文獻(xiàn)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
11.1.1X射線熒光光譜法366
11.1.2原子吸收光譜法368
11.1.3等離子體質(zhì)譜法369
11.1.4電子探針?lè)治龇?70
11.2光催化材料的物相結(jié)構(gòu)的表征371
11.2.1X射線晶體衍射371
11.2.2電子衍射分析377
11.2.3拉曼光譜分析378
11.3表面與價(jià)鍵分析380
11.3.1紅外光譜分析380
11.3.2X射線光電子能譜382
11.3.3俄歇電子能譜387
11.4分散度及形貌分析393
11.4.1掃描電鏡393
11.4.2透射電鏡395
11.4.3原子力顯微鏡398
11.4.4粒度分析儀399
11.5光吸收性能研究401
11.6光催化材料的熱分析方法402
11.7比表面和孔分布研究403
參考文獻(xiàn)404
第12章 光催化性能評(píng)價(jià)研究方法406
12.1光催化機(jī)理研究406
12.1.1紫外可見(jiàn)漫反射光譜法406
12.1.2熒光光譜：缺陷結(jié)構(gòu)與壽命409
12.1.3表面光電壓譜412
12.1.4表面光電流415
12.1.5交流阻抗譜417
12.1.6平帶電位419
12.1.7自由基與空穴捕獲研究420
12.1.8時(shí)間分辨光電導(dǎo)譜（TRPC）423
12.2光催化反應(yīng)過(guò)程中的產(chǎn)物分析424
12.2.1高效液相色譜方法424
12.2.2色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)424
12.2.3離子色譜427
12.2.4總有機(jī)碳分析428
12.3光源與光催化反應(yīng)器429
12.3.1光源與光譜器件429
12.3.2光催化反應(yīng)器430
12.4光催化材料性能評(píng)價(jià)431
12.4.1液相光催化活性評(píng)價(jià)方法432
12.4.2氣相光催化活性評(píng)價(jià)方法434
12.4.3光解水制氫性能評(píng)價(jià)435
12.4.4光催化自清潔性能評(píng)價(jià)方法436
12.4.5光催化抗菌性能測(cè)試437
參考文獻(xiàn)439
第13章 光催化材料的環(huán)境凈化應(yīng)用442
13.1光催化對(duì)有毒有害物的分解反應(yīng) 442
13.1.1揮發(fā)性有機(jī)化合物442
13.1.2內(nèi)分泌干擾物446
13.1.3持久性有機(jī)污染物（POPs）448
13.2光催化在空氣凈化方面的應(yīng)用452
13.2.1甲醛凈化453
13.2.2甲苯凈化454
13.3光催化在水凈化方面的應(yīng)用454
13.3.1表面活性劑454
13.3.2染料廢水455
13.3.3農(nóng)藥廢水456
13.4光催化降解復(fù)合技術(shù)456
13.4.1光催化降解凈化456
13.4.2光電協(xié)同催化降解凈化456
13.4.3臭氧協(xié)同光催化降解457
13.4.4雙氧水協(xié)同光催化降解457
13.4.5Fenton光催化降解457
13.5光催化降解的應(yīng)用458
13.5.1生活飲用水的凈化458
13.5.2低濃度高毒性污水的凈化458
13.6光催化在建筑材料方面的應(yīng)用460
13.6.1自清潔玻璃460
13.6.2自清潔涂料461
13.7光催化在抗菌凈化方面的應(yīng)用462
13.7.1抗菌陶瓷463
13.7.2抗菌玻璃463
13.7.3抗菌不銹鋼463
13.7.4抗菌塑料463
13.7.5抗菌涂料463
13.7.6其它463
參考文獻(xiàn)464
第14章 光催化新能源467
14.1光催化水分解制氫反應(yīng)467
14.1.1光催化分解水制氫基本原理467
14.1.2提高光催化劑分解水制氫效率的方法470
14.1.3粉體光催化劑分解水制氫472
14.1.4光電催化分解水制氫475
14.2太陽(yáng)能光伏電池477
14.2.1染料敏化太陽(yáng)能電池477
14.2.2其它太陽(yáng)能電池483
14.3二氧化碳的能源利用485
14.3.1還原CO2方法的概述485
14.3.2光催化還原CO2的催化體系487
參考文獻(xiàn)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紫外降解過(guò)程和產(chǎn)物分析495
15.2.2可見(jiàn)光降解研究500
15.3聚乙烯可降解塑料504
15.3.1PETiO2薄膜在紫外光及日光下的光催化降解研究504
15.3.2PE(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關(guān)研究514
15.4基于光催化的可降解塑料的進(jìn)展 517
15.4.1直接利用納米TiO2 作為光催化劑 517
15.4.2改性納米TiO2作為光催化劑518
參考文獻(xiàn)521
索引523
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