光催化：环境净化与绿色能源应用探索电子书

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内容提要

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前言

第1章　光催化基础

1.1　光催化的历史

1.1.1　光催化现象的发现

1.1.2　能源危机带来的发展机遇

1.1.3　环境危机带来的机遇

1.1.4　超级细菌和流行病毒的新对策

1.2　光催化基本概念

1.2.1　光催化剂和光催化反应

1.2.2　固体能带结构

1.2.3　光生电子、光生空穴和复合中心

1.3　光催化的应用领域

1.3.1　环境净化应用

1.3.2　微生物杀菌净化

1.3.3　表面自清洁净化

1.3.4　能源催化应用

1.4　光催化的发展趋势

1.4.1　新型光催化材料探索

1.4.2　光催化过程活性和能效的提高

1.4.3　光催化实际应用拓展

1.4.4　光催化技术的前景

参考文献

第2章　光催化原理

2.1　光催化反应的基元过程

2.1.1　光催化反应过程

2.1.2　反应过程的影响因素

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

2.2　半导体能带理论

2.2.1　能带理论

2.2.2　带边位置

2.2.3　量子尺寸效应

2.2.4　电荷的传输与陷阱

2.2.5　空间电荷层和能带弯曲

2.2.6　电荷界面转移过程

2.2.7　光化学腐蚀反应

2.3　半导体的光学性质

2.3.1　光的吸收波长

2.3.2　光吸收的强度

2.3.3　光与光催化剂的相互作用——光物理过程与化学过程

2.4　光子激发与电荷迁移过程

2.4.1　光子激发过程

2.4.2　光生空穴和电子的分离、迁移、复合过程

2.5　表面吸附和反应

2.6　光催化与纳米材料

2.6.1　纳米尺度与光吸收

2.6.2　纳米尺度与分离效率

2.6.3　纳米尺度与表面活性

2.7　光催化氧化反应机理

2.7.1　光催化氧化模型

2.7.2　超氧自由基降解机理

2.7.3　羟基自由基降解机理

2.7.4　空穴直接氧化降解机理

2.7.5　气相体系的光催化反应原理

2.7.6　液相体系的光催化反应原理

2.8　光催化杀菌原理

2.9　光催化自清洁原理

2.10　光催化太阳能转换原理

2.10.1　光解水制氢原理

2.10.2　染料敏化太阳能电池

2.10.3　CO_2的光还原原理

2.11　光催化反应活性的影响因素

2.11.1　光催化剂的晶型和晶面

2.11.2　光催化剂的结晶性

2.11.3　比表面积及其吸附作用

2.11.4　pH值的影响

2.11.5　反应温度的影响

2.12　光催化反应动力学过程

参考文献

第3章　TiO_2光催化材料可控合成

3.1　TiO_2光催化材料的晶体结构和性能

3.1.1　TiO_2的晶体结构

3.1.2　TiO_2的电子结构

3.1.3　TiO_2的光学特性

3.1.4　TiO_2的理论设计

3.1.5　能带结构的理论计算

3.1.6　能带结构的调控

3.2　TiO_2光催化材料的可控合成

3.2.1　气相法制备TiO_2

3.2.2　液相法制备TiO_2

3.2.3　醇解法制备TiO_2纳米粉体光催化剂

3.3　TiO_2纳米管结构的控制合成

3.3.1　模板法

3.3.2　水热法

3.3.3　阳极氧化法

3.4　TiO_2纤维的制备方法

3.4.1　钛酸酯晶须脱碱法

3.4.2　溶胶-凝胶法

3.4.3　水热法及溶剂热法

3.4.4　其它制备方法

3.5　核壳结构TiO_2的控制合成

3.5.1　TiO_2作为核的核壳体系

3.5.2　TiO_2作为壳层的核壳体系

3.5.3　TiO_2作为核壳结构载体的体系

3.6　介孔结构TiO_2的合成

3.6.1　模板剂方法

3.6.2　钛酸酯-十八胺法制备中孔纳米TiO_2粉体

3.6.3　P123制备纳米TiO_2介孔材料

3.7　可见光响应纳米TiO_2光催化材料的合成

3.7.1　金属离子掺杂

3.7.2　非金属元素掺杂

3.7.3　非金属元素的单质掺杂

3.7.4　非金属元素的共掺杂

3.7.5　离子注入

3.7.6　表面光敏化

3.7.7　表面杂化

3.8　TiO_2光催化材料的应用

3.8.1　在空气净化上的应用

3.8.2　在污水处理上的应用

3.8.3　在化妆品上的应用

参考文献

第4章　TiO_2薄膜光催化材料

4.1　薄膜光催化材料的特点

4.1.1　比表面积小

4.1.2　吸附能力弱

4.1.3　反应活性低

4.2　TiO_2薄膜光催化材料的制备

4.2.1　物理镀膜法

4.2.2　化学方法

4.3　薄膜与基底的相互作用

4.3.1　薄膜与金属基底的相互作用

4.3.2　薄膜与玻璃基底的相互作用

4.3.3　薄膜与柔性基底的相互作用

4.4　多孔及介孔薄膜光催化材料的合成方法

4.4.1　软模板法

4.4.2　硬模板法

4.5　TiO_2纳米管阵列光催化薄膜

4.5.1　模板法制备TiO_2纳米管阵列

4.5.2　在基底物质表面制备TiO_2纳米管阵列

4.5.3　阳极氧化法制备TiO_2纳米管阵列

4.5.4　钛合金氧化制备复合金属氧化物纳米管阵列

4.5.5　自组装制备特殊功能TiO_2纳米管阵列

4.6　可见光响应型TiO_2薄膜

4.6.1　金属离子掺杂

4.6.2　非金属离子掺杂

4.7　氮掺杂可见光响应型二氧化钛的制备方法

4.7.1　溅射法制备掺氮TiO_2

4.7.2　脉冲激光沉积

4.7.3　加热法

4.7.4　离子注入法

4.8　薄膜光催化剂的应用

4.8.1　在抗菌上的应用

4.8.2　TiO_2薄膜自清洁作用

4.8.3　TiO_2薄膜可作为亲水防雾涂层

参考文献

第5章　TiO_2光催化材料的活性提高

5.1　影响光催化材料活性的主要因素

5.2　TiO_2晶相结构与缺陷的控制

5.3　能带位置对光催化性能的影响

5.4　晶粒大小的控制

5.4.1　光生载流子的输运

5.4.2　吸附能力的改变

5.4.3　晶粒尺寸对能隙的影响

5.5　阳离子掺杂

5.5.1　稀土离子掺杂

5.5.2　过渡金属离子掺杂

5.6　阴离子掺杂

5.6.1　氮的掺杂

5.6.2　硫的掺杂

5.6.3　卤素的掺杂

5.6.4　碳的掺杂

5.7　表面贵金属改性

5.7.1　贵金属纳米颗粒的表面沉积

5.7.2　表面等离子体共振吸收

5.7.3　电荷迁移的增强效应

5.7.4　负载贵金属后的光催化活性和选择性

5.7.5　不同负载方法对光催化活性和选择性的影响

5.8　半导体的表面光敏化技术

5.8.1　染料敏化

5.8.2　酞菁敏化

5.9　半导体的异质结复合技术

5.9.1　半导体的表面异质结

5.9.2　异质结促进活性提高的原理

5.9.3　SnO_2/TiO_2异质结体系

5.9.4　界面复合（TiO_2/SnO_2/glass、SnO_2/TiO_2/glass）

5.9.5　复合顺序对光催化活性的影响

5.9.6　复合样品内外层厚度对光催化活性的影响

5.10　影响反应活性的环境因素

5.10.1　光源与光强

5.10.2　有机物浓度

5.10.3　pH值

5.10.4　温度

5.10.5　其它影响因素

5.11　辅助能量场对TiO_2光催化反应的影响

5.11.1　热场

5.11.2　电场

5.11.3　微波场

5.11.4　超声场

参考文献

第6章　TiO_2光催化材料的能效提高

6.1　离子掺杂技术

6.1.1　TiO_2的本征吸收

6.1.2　离子掺杂类型对二氧化钛光催化活性的影响

6.1.3　离子掺杂的方法

6.2　染料光敏化

6.2.1　TiO_2光敏化的机理

6.2.2　无机化合物敏化剂

6.2.3　有机染料敏化剂

6.2.4　金属有机配合物敏化剂

6.2.5　复合光敏化剂

6.3　表面杂化

6.3.1　TiO_2/C_60

6.3.2　TiO_2/C

6.3.3　TiO_2/PANI

6.4　半导体的异质结复合

6.4.1　复合半导体的模型结构

6.4.2　CdS半导体的光电性能与光腐蚀过程

6.4.3　CdS-TiO_2复合半导体的电子传输机理

6.4.4　CdS-TiO_2复合半导体的合成方法

参考文献

第7章　新型光催化材料的探索

7.1　新型光催化材料探索的重要性

7.1.1　TiO_2光催化材料的局限性

7.1.2　复合氧化物的优势以及研究现状

7.2　钽铌钙钛矿结构光催化材料

7.2.1　碱金属钽酸盐复合氧化物

7.2.2　碱土金属钽酸盐复合氧化物

7.2.3　金属铌酸盐复合氧化物

7.3　钨钼钒系光催化材料

7.3.1　钨酸盐系光催化材料

7.3.2　钼酸盐系光催化材料

7.4　含氧酸盐光催化材料

7.4.1　水热法制备BiPO_4及其光催化性能

7.4.2　水热法制备Bi_2O_2（OH）NO_3及其光催化性能

7.5　石墨结构C_3N_4（g-C_3N_4）聚合物光催化材料

参考文献

第8章　光电协同作用提高光催化材料的降解性能

8.1　光电协同催化基础

8.2　光电协同催化原理

8.2.1　电场辅助光催化过程

8.2.2　光电协同催化氧化过程

8.3　光电协同催化实验

8.3.1　光电协同催化电极

8.3.2　光电协同反应设备

8.3.3　光电协同催化反应的影响因素

8.4　Bi_2WO_6薄膜的光电协同催化

8.4.1　Bi_2WO_6薄膜的表征

8.4.2　Bi_2WO_6薄膜对4-CP的光电协同催化降解

8.4.3　Bi_2WO_6薄膜的稳定性分析

8.5　TiO_2纳米管阵列的光电协同催化

8.5.1　TiO_2纳米管阵列的制备

8.5.2　TiO_2纳米管阵列光电性能研究

8.5.3　TiO_2纳米管阵列的修饰改性

8.6　光电协同催化的环境净化

8.6.1　光电协同催化污水净化应用

8.6.2　光电协同催化存在的问题

参考文献

第9章　表面杂化及其光催化性能的提高

9.1　共轭π材料的结构和电子性能

9.2　表面杂化作用机理

9.3　C_(60)的表面杂化

9.3.1　C_(60)的性质和结构特点

9.3.2　简单氧化物光催化剂的C_(60)表面杂化

9.3.3　新型复合氧化物光催化剂的C_(60)表面杂化

9.4　类石墨碳的表面杂化

9.4.1　类石墨碳的性质和结构特点

9.4.2　简单氧化物光催化剂的类石墨碳表面杂化

9.5　聚苯胺的表面杂化

9.5.1　聚苯胺的性质和结构特点

9.5.2　简单氧化物光催化剂的PANI表面杂化

9.6　石墨烯的表面杂化

9.6.1　石墨烯的性质及结构特点

9.6.2　简单氧化物光催化剂的石墨烯表面杂化

9.7　C_3N_4的表面杂化

9.7.1　C_3N_4的性质及结构特点

9.7.2　简单氧化物光催化剂的C_3N_4表面杂化

参考文献

第10章　光催化材料的理论计算研究方法

10.1　半导体的能带理论

10.1.1　半导体与带隙

10.1.2　导带和价带电位估算

10.1.3　载流子的有效质量

10.1.4　缺陷浓度与缺陷形成能

10.2　光催化理论计算的信息

10.2.1　能带结构及态密度分布

10.2.2　光学性质

10.2.3　缺陷形成能与化学势

10.3　理论计算方法

10.3.1　基于密度泛函理论的第一性原理概述

10.3.2　第一性原理计算流程

10.3.3　基于密度泛函理论计算软件包CASTEP和SIESTA软件

10.4　氧化物半导体光催化材料的能带计算

10.4.1　d^0氧化物

10.4.2　d^(10)氧化物

10.4.3　其它氧化物

10.5　二氧化钛点缺陷结构的理论研究

10.5.1　几何结构

10.5.2　本征缺陷能

10.6　非金属单掺杂TiO_2的电子结构

10.6.1　物理模型

10.6.2　缺陷形成能

10.6.3　电子结构

10.7　非金属与过渡金属共掺杂TiO_2的电子结构

10.7.1　物理模型

10.7.2　共掺杂的束缚能

10.7.3　共掺杂的电子结构

10.8　共掺杂的协同效应研究

10.8.1　物理模型

10.8.2　共掺杂缺陷形成能

10.8.3　电子结构

10.8.4　光学性质

参考文献

第11章　光催化材料的表征方法

11.1　光催化材料的成分分析方法

11.1.1　X射线荧光光谱法

11.1.2　原子吸收光谱法

11.1.3　等离子体质谱法

11.1.4　电子探针分析法

11.2　光催化材料的物相结构的表征

11.2.1　X射线晶体衍射

11.2.2　电子衍射分析

11.2.3　拉曼光谱分析

11.3　表面与价键分析

11.3.1　红外光谱分析

11.3.2　X射线光电子能谱

11.3.3　俄歇电子能谱

11.4　分散度及形貌分析

11.4.1　扫描电镜

11.4.2　透射电镜

11.4.3　原子力显微镜

11.4.4　粒度分析仪

11.5　光吸收性能研究

11.6　光催化材料的热分析方法

11.7　比表面和孔分布研究

参考文献

第12章　光催化性能评价研究方法

12.1　光催化机理研究

12.1.1　紫外-可见漫反射光谱法

12.1.2　荧光光谱：缺陷结构与寿命

12.1.3　表面光电压谱

12.1.4　表面光电流

12.1.5　交流阻抗谱

12.1.6　平带电位

12.1.7　自由基与空穴捕获研究

12.1.8　时间分辨光电导谱（TRPC）

12.2　光催化反应过程中的产物分析

12.2.1　高效液相色谱方法

12.2.2　色谱/质谱联用技术

12.2.3　离子色谱

12.2.4　总有机碳分析

12.3　光源与光催化反应器

12.3.1　光源与光谱器件

12.3.2　光催化反应器

12.4　光催化材料性能评价

12.4.1　液相光催化活性评价方法

12.4.2　气相光催化活性评价方法

12.4.3　光解水制氢性能评价

12.4.4　光催化自清洁性能评价方法

12.4.5　光催化抗菌性能测试

参考文献

第13章　光催化材料的环境净化应用

13.1　光催化对有毒有害物的分解反应

13.1.1　挥发性有机化合物

13.1.2　内分泌干扰物

13.1.3　持久性有机污染物（POPs）

13.2　光催化在空气净化方面的应用

13.2.1　甲醛净化

13.2.2　甲苯净化

13.3　光催化在水净化方面的应用

13.3.1　表面活性剂

13.3.2　染料废水

13.3.3　农药废水

13.4　光催化降解复合技术

13.4.1　光催化降解净化

13.4.2　光电协同催化降解净化

13.4.3　臭氧协同光催化降解

13.4.4　双氧水协同光催化降解

13.4.5　Fenton光催化降解

13.5　光催化降解的应用

13.5.1　生活饮用水的净化

13.5.2　低浓度高毒性污水的净化

13.6　光催化在建筑材料方面的应用

13.6.1　自清洁玻璃

13.6.2　自清洁涂料

13.7　光催化在抗菌净化方面的应用

13.7.1　抗菌陶瓷

13.7.2　抗菌玻璃

13.7.3　抗菌不锈钢

13.7.4　抗菌塑料

13.7.5　抗菌涂料

13.7.6　其它

参考文献

第14章　光催化新能源

14.1　光催化水分解制氢反应

14.1.1　光催化分解水制氢基本原理

14.1.2　提高光催化剂分解水制氢效率的方法

14.1.3　粉体光催化剂分解水制氢

14.1.4　光电催化分解水制氢

14.2　太阳能光伏电池

14.2.1　染料敏化太阳能电池

14.2.2　其它太阳能电池

14.3　二氧化碳的能源利用

14.3.1　还原CO_2方法的概述

14.3.2　光催化还原CO_2的催化体系

参考文献

第15章　光催化可降解塑料研究

15.1　光催化可降解塑料原理

15.2　聚苯乙烯（PS）可降解塑料

15.2.1　紫外降解过程和产物分析

15.2.2　可见光降解研究

15.3　聚乙烯可降解塑料

15.3.1　PE-TiO_2薄膜在紫外光及日光下的光催化降解研究

15.3.2　PE-（TiO_2/CuPc）薄膜在日光下的光催化降解研究

15.3.3　改善聚乙烯薄膜降解性能的其它相关研究

15.4　基于光催化的可降解塑料的进展

15.4.1　直接利用纳米TiO_2作为光催化剂

15.4.2　改性纳米TiO_2作为光催化剂

参考文献

索引