TiO2光催化動(dòng)力學(xué)的機(jī)制研究

1）光催化技術(shù)

光催化的原理是利用光照能量激發(fā)TiO₂等半導(dǎo)體催化劑產(chǎn)生的電子和空穴，誘導(dǎo)和加速氧化-還原化學(xué)反應(yīng)達(dá)到凈化污染物、物質(zhì)合成和轉(zhuǎn)化等目的。光催化技術(shù)被認(rèn)為是解決能源短缺與環(huán)境污染問題具前途的催化技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于表面自清潔、空氣和水凈化系統(tǒng)、殺菌、防霉、食品保鮮、析氫、有機(jī)/無機(jī)物合成、和光電化學(xué)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。

2）TiO₂系光催化技術(shù)

在光催化技術(shù)中，半導(dǎo)體催化劑的研究至關(guān)重要。目前報(bào)道的催化劑主要有：ZnO、Bi₂O₃、WO₃、CdS、TiO₂等。其中TiO₂是最早發(fā)現(xiàn)的具有光催化活性的物質(zhì)，并且具有清潔無毒、價(jià)格低廉、催化性能好、制備簡(jiǎn)易、環(huán)境友好、反應(yīng)溫和、穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，因而其在光催化領(lǐng)域占據(jù)長(zhǎng)久的主導(dǎo)地位。

TiO₂的禁帶寬度約為3.20eV，因此，其只對(duì)紫外光有吸收。單純的TiO₂還具有電子-空穴復(fù)合效率高這一缺陷，這嚴(yán)重限制了TiO₂的進(jìn)一步應(yīng)用。為了解決這些問題，多年來人們使用了多種方法來改良光催化過程，比如：使用不同的摻雜方法，材料結(jié)構(gòu)/維度/表面改性，用外部條件來控制TiO₂的形成和催化過程，使用染料敏化的可見光誘導(dǎo)方式等等^[1]。

3）TiO₂光催化動(dòng)力學(xué)的機(jī)制研究

研究者在改良光催化過程的同時(shí)，也持續(xù)對(duì)半導(dǎo)體光催化的基本原理進(jìn)行深入研究。例如，光催化中的電子是從半導(dǎo)體的價(jià)帶到其導(dǎo)帶的光激發(fā)而產(chǎn)生，并向O₂的電子轉(zhuǎn)移，它可以激活有機(jī)分子與O₂之間的反應(yīng)，因而在光催化有機(jī)氧化中發(fā)揮重要作用。因而，研究電子的形成，電子到O₂的轉(zhuǎn)移，以及電子與反應(yīng)物之間的動(dòng)力學(xué)機(jī)制等對(duì)理解光催化機(jī)理和設(shè)計(jì)光催化材料具有重要意義 ^[2]。

利用光導(dǎo)，透射和反射技術(shù)進(jìn)行光催化動(dòng)力學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，精確控制光照強(qiáng)度，溫度，O₂濃度等參數(shù)非常重要。武漢重光在光、熱、電、磁、氣等多參數(shù)測(cè)試腔體的設(shè)計(jì)與制造方面擁有深厚的技術(shù)積累，可為光催化動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的光強(qiáng)、溫度、電磁場(chǎng)和氣氛控制，已幫助光催化領(lǐng)域的研究者實(shí)現(xiàn)了多種研究目標(biāo)^[3],[4]。

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參考文獻(xiàn)：

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[2] B. Liu, H. Wu, and I. P. Parkin, “New insights into the fundamental principle of semiconductor photocatalysis,” ACS omega, 5, 14847-14856 (2020).

[3] B. Liu, Z. Wu, and L. Li, “Kinetics analysis of the electron transfer from nano-TiO₂ to O₂ through on-line absorptions and theoretical modeling,” Journal of Applied Physics, 129, 165106(2021).

[4] Z. Wu, L. Li, X. Zhou, Zhao, X., and B. Liu, “Kinetics and energetic analysis of the slow dispersive electron transfer from nano-TiO₂ to O₂ by in situ diffusion reflectance and Laplace transform,” Physical Chemistry Chemical Physics, 23, 19901-19910 (2021).