光催化试题及答案1

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1、1二氧化钛的常见晶相结构有哪几种？哪种光催化活性最高？哪种最适合做颜料？哪种带隙最宽。答：锐钛矿相、金红石相和板钛矿相成为TiO,主要的三种晶型。锐钛矿相光催化活性最高。锐钛矿相带隙 最 宽，金红石最适合做颜料。2. 本课程中讲到的二氧化钛的最重要的两种特性是什么？答：光催化活性、超亲水性。3. 二氧化钛光催化的基本原理？光催化在哪些领域会有潜在的应用，举例说明？P3,空气净化，抗菌、除臭，制备氢气，太阳能电池，防雾、自清洁，废水处理(简单版) 防污，抗菌，除臭，空气净化，水处理 高效污水处理用和空气净化用纳米光催化剂的制备及其负载化成套装置 纳米涂料在外墙和内墙中的应用和产业化 纳米Ti02

2、光催化剂在陶瓷洁具中的应用研究并实现产业化 纳米Ti02光催化剂在家电中的应用研究 利用光催化表面的超亲水性和光催化活性研制开发具有自清洁和抗雾性能的纳米光催化膜功能材 太阳能光催化分解水制氢4. 在光催化研究和应用中，主要存在的科学问题和技术难题。量子效率低( 4%),难以处理量大且浓度高的工业废气和废水；太阳能利用率低。由于二氧化钛半导体的 能带 结构(Eg=3. 2eV)决定了其只能吸收利用太阳光中的紫外线部分；光催化剂的负载技术。难以在既 保持较高的 光催化活性又满足特定材料的理化性能要求的前提下在不同材料表面均匀，牢固地负载上光催 化剂；纳米氧化 钛的超亲水性机理和成膜技术的研究。5

3、. 制备二氧化钛的湿化学方法主要有哪些？ 水解沉淀法，溶胶-凝胶法，水热法，微乳液法6. 溶胶凝胶法合成纳米Ti02粉末光催化剂的过程是怎样的？溶胶-凝胶技术制备纳米Ti02的过程以及 水用量 (浓度)对反应有何影响？Ti02 材料的溶胶-凝胶法制备过程通常由烷氧基钛的酸催化水解以及随后发生的缩聚两个步骤组成； 一般 以钛醇盐Ti(0R)4 (R = -CM, -CM, CM)为原料：钛醇盐首先溶于溶剂中形成均相溶液；钛醇盐与水发生水解 反应，同时发生失水和失醇缩聚反应，生成物聚集形成溶胶；经陈化，溶胶形成三维网络而形 成凝胶；干燥凝 胶以除去残余水分、有机基团和有机溶剂，得到干凝胶；干凝胶研

4、磨后燃烧，除去化学吸 附的羟基和烷基团， 以及物理吸附的有机溶剂和水，最后得到纳米Ti02粉体。 Ti(0R)4 + 4H=0Ti(0H)4 +4H0R(水解) Ti (OH)+Ti (OH) (HO) Ti-0-Ti (OH) (缩聚)433 (HO) Ti-O-Ti(OH) +Ti(OH) (HO) Ti-O-Ti (0H) -0-Ti (0H)Ti”0 ”(0H)3332322l水的浓度即用量非常重要。低浓度的水以及随之而来的低的水解速率以及溶液中过量的烷氧基钛有利于Ti-O-Ti链的生长。Ti-0-Ti 链的生长最终导致闭合的三维聚合骨架即高结晶度的Ti02纳米粒子的生成；中等浓度的水

5、则导致高的水解速率 和大量的Ti(OH)4的生成。大量的Ti-OH的存在以及不完全的三维聚合骨架使得最终得到的Ti02表现为松散 堆积的一次粒子；在有大量的水存在的条件下，Ti-O-Ti链最终能够实现高度的缩合，其构成的溶胶骨架在三 维上高度发展形成密堆积的一次粒子。7. 解释溶胶凝胶法制备Ti02纳米材料时强酸性溶液易生成金红石二氧化钛，而中性条件下易生成锐钛矿二氧 化钛的原因？(根据奥斯特瓦尔德递进法则解释) 奥斯特瓦尔德递进法则认为对于同质异形体的形成和晶格转变中，并不是直接形成最稳定的晶相，而 是先生成最不稳定的晶相，然后随着时间的推移，第次转化到一个热力学更稳定的相，直至最后生成 最

6、稳定的相。 不同相之间的转变需要温度、时间等因素的配合。因此，利用温度、时间等制备参数的调节使得人们 可以将同质异形体定格在某一亚稳晶相。 在溶胶-凝胶法合成Ti02过程中，强酸性条件有利于金红石相的生成，而中性条件则有利于锐钛矿相 的形成。 在钛源的水解缩聚过程中，存在Ti(0H)U7金红石，Ti(0H)U7锐钛矿的热力学平衡。pH值为0. 0- 1.5时，Ti(OH)/、金红石、锐钛矿三者之间的势能存在 gi呻或是|ir Ma （100）面等。而锐钛矿Ti02中各晶 面平均表面能顺序为：001100101,（001面的表面能高于其它面，具有潜在的高反应活性面。（110面能量低，而101比0

7、01具有更高的催化活性。卤化银光催化剂在光催化领域的应用：C02还原、N还原、抗菌、气相中降解有机物、制氢制氧及其它应 用等。25, 复合型纳米粒子的概念及其意义？定义：复合型纳米粒子是指由两种或两种以上物质在纳米尺度上以某种方式结合在一起而构成的复合粒子，复合 的结果不仅能有效地调节单一材料的性能，而且往往会产生出许多新的特性。意义：1在于复合具有不同能带结构的半导体微粒，为利用窄带隙的半导体敏化宽带隙的半导体纳米颗粒提供 可能性。2其次在二元复合半导体中，两种半导体之间的能级差能使光生载流子由一种半导体微粒的能级注入 到另一种半导体的能级上，导致了有效和长期的电荷分离。3不同金属离子的配位

8、及电荷性不同而产生过剩电 荷，也会增加半导体俘获质子或电子的能力，从而提高光催化剂的活性。26, 复合半导体模型结构的分类？主要有三种模型结构，（1）偶合型半导体：复合微粒是由宽能带隙、低能导带的半导体纳米微粒和窄带隙、高 能导带的半导体纳米微粒复合而成。光生载流子从一种半导体注入另一种半导体微粒，有效地阻隔了电 子、空 穴的复合通路，导致了有效和较长时间的电荷分离，而且实现了窄带隙半导体的光谱吸收可见方向 敏化的目 的。（2）核壳型半导体：通常条件下制备的纳米微粒，其表面一般都存在着很多的表面缺陷，这些表面缺陷在 能量禁阻的带隙中引入很多表面态，它们可以捕获电子或空穴，严重影响纳米微粒的光学

9、性质。除去这些表面 态的过程称为表面钝化，通过无机或有机的表面钝化，可以消除表面缺陷，进而改变纳 米微粒的光电性质。（3）掺杂型半导体：由于量子尺寸效应的存在，半导体纳米微粒的能带结构由连续的能带转变为分立的能级结 构，同时能带变宽。而主体纳米晶产生强的限域效应，使杂质能级与半导体分立 的能级发生杂化，能级的变化 使主体晶与杂质能级之间存在着快速的能量转移，由于能量转移导致了强的 杂质有道荧光，而使微粒表面台的 非辐射复合显著减弱了。也就是通过掺杂的微粒为主体电子和空穴的复 合提供了有效地辐射复合通道，从而得 到荧光。27. 过渡金属掺杂光催化过程中激子消亡的原因，及其对光催化活性的影响？ 激

10、子是由电子和空穴相互吸引而形成的束缚态。激子形成后，电子和空穴作为一个整体在半导体晶体中运 动。 激子的寿命是有限的，形成激子的电子和空穴之间的复合通常是造成激子消亡的主要原因；除此之外， 激子的 分解也是引起激子消亡的一个重要原因。半导体内的局部电场、声子的作用以及浅俘获阱的俘获都 是造成激子 分解的原因。激子的分解有利于阻止激子内的电子-空穴对的复合，提高光催化剂的光催化效率。28. 过渡金属离子在光催化体系中扮演怎样的角色？ （1）作为共生离子存在于光催化体系中，通过表面吸附影响光催化剂的光生载流子行为或 均相溶 剂反应来影响光催化反应的动力学过程;（2）作为杂质离子掺杂到半导体纳米粒子

11、中， 研究其作为 杂质中心对光催化反应的影响。（3）作为被反应物被光生载流子氧化还原。29. 水溶贵金属离子在光催化体系中扮演怎样的角色？ 贵金属沉积可以减少光生电子和空穴的复合使光量子效率得以提高，具体可分为以下三种效应。（1）抑制 晶粒 内部光生电子和空穴的复合：对于TiO,纳米颗粒，光生电子迁移到晶粒表面的时间约为Ips，贵金属沉积在 TiOz 的表面可以吸引电子，从而减少晶粒内部光生电子和光生空穴的复合。（2）抑制光生电子和光 生空穴的 表面复合：由于贵金属吸收电子后，光生电子在金属上相对富集，这些电子可以很快地被捕获或 者直接与氧化 剂发生还原反应，而迁移到TiO,表面上的光生空穴以

12、及被捕获的光生空穴能与还原剂发生氧化反应，从而抑制 了光生电子和空穴在催化剂表面的复合。 （3）实现氧化反应和还原反应的分离：由于 TiO, 纳米粒子的尺寸 小，光氧化反应和光还原反应在同一晶粒表面进行。氧化和还原反应互为共辆反应，氧化 反应的产物有可能被 还原，反之，还原产物有可能被氧化。电子在金属表面富集相当于形成了阴极，各种 物质的极性也不相同，可 以使氧化和还原反应在空间上分隔开来。30. Ti02薄膜主要有哪些功能特性？ Ti02薄膜光致超亲水性机理，影响Ti02薄膜超亲水特性的主要因素。 光催化特性，超亲水性，抗菌和杀毒特性。亲水性机理：在紫外光的照射下，氧化钛价带的电子被激发到导

13、带，电子和空穴向氧化钛表面迁移。电子 与 Ti4+反应形成Ti3+,空穴与薄膜表面的桥氧离子反应形成氧空位。此时，空气中的水分子吸附在氧空位，并解 离成为化学吸附水（表面羟基），化学吸附水可以进一步吸附空气中的水分形成高度亲水的微区。在Ti02表面 构成了均匀分布的纳米尺度的亲水微区和疏水微区。在Ti02类似于二维毛细管结构。由于水的液滴尺寸远大于 这些微区面积，所以宏观上Ti02表面表现出亲水特性。影响Ti02薄膜超亲水特性的主要因素：晶相结构的影响，晶面的影响，环境气氛的影响，光源和照射时间的影 响，薄膜厚度的影响。31. 制备Ti02薄膜有哪些化学方法，各有特点？测定薄膜特性的有哪些方法

14、，主要用于测定何种性能？（一）溶胶-凝胶及其改进方法传统的Sol-gel法：首先制备TiC） 2溶胶，然后采用浸涂、旋涂、喷涂、提拉 等方法将TiO2溶胶涂敷于载体上，再通过干燥、焙烧处理，完成TiO,的成膜和晶化。可制备M-T102 （M过渡 金属或贵金属）非金属掺杂、Ti02/其他氧化物或半导体的复合薄膜材料。（二）液相沉积法,，此方法只需将基片浸入反应也中，在基片上就会沉积出氧化物或氢氧化物的均一致密 薄 膜。成膜过程不需要热处理，操作简单，不需要昂贵的设备。基片的选材可以不受限制，玻璃、陶瓷、 金属、 塑料等都可以作为基片来进行制膜。基片的形状也不受限制，板状、粉末、纤维均可。此方法适

15、合 于在形状复 杂的基片上制膜。（三）化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积是气态反应物（包括易蒸发的凝聚态物质蒸发后变成的气态反应 物）在衬底表面发生化学反应而沉积成膜的工艺。 喷雾热解法，自组装方法，物理气象沉积法，电化学方法。形貌：扫描电镜（SEM）,透射电镜（TEM）,场发射扫描电镜，扫描隧道显微镜（STM）,原子力显微镜（AFM）晶相结构：X射线衍射（XRD）,拉曼光谱（Raman）元素组成化学态：能谱仪（EDS）, X射线荧光光谱，等离子发射光谱，X射线光电子能谱，俄歇电子能谱，电子自旋顺磁谱光学特性：紫外-可见分光光度计，荧光光谱（PL），椭圆偏振仪，拉曼光谱（Raman）亲水性（

16、接触角）：照相法，水滴直径计算法，接触角测量仪测定法膜厚度及光学参数：电镜，椭圆偏振仪薄膜的硬度：铅笔硬度计，涂膜划痕测量仪粘附牢度：划格法1， 现有的光伏太阳能电池包括：单晶硅，多晶硅，非晶硅，多元化合物光化学太阳能电池的光电转换效率是 11%-12%2, 直接合成纳米TiO2很容易得到锐钛矿相，为了制备纯的金红石相TiO2,工业上采取何种方法来实现？需要 在强酸性的环境下，并且排除配体干扰，才能够在液相环境中制备出较纯的金红石相。需要利用晶格诱导技术（在气象氧化法中利用A1203作为晶核诱导生成金红石相Ti02）或采取高温嘏烧技术（锐钛矿相TiO2在 600C以上的温度下煨烧时会转晶申城金

17、红石相二氧化钛。）来获得较高纯度的金红石相二氧化钛3, 在强碱水热体系中，反应参数对产物的影响极为重要。比如在120 C 10M的NaOH体系中水热得到钛酸纳 米管，将其酸交换400 C烧后得到Ti02-B晶相的Ti02，在180oC lOMlaOH体系中水热得到层状钛酸钠 纳 米线，将其酸交换400 oC烧后得到Ti02-B晶相的Ti02,而在180oC 10M的KOH体系中水热得到八钛酸盐，此 时无法进行常温酸交换。4, 用于光催化反应的理想光催化剂必须符合三个条件是什么？性质稳定、吸收可见光、载流子复合少。5, 构成金刚石和石墨的C原子在形成分子轨道时，分别采取何种杂化方式？金刚石为SP

18、3石墨为SP26, 纳米二氧化钛光催化剂的化学制备技术包括哪些？火焰高温热解、化学气相沉积、气相化学氧化法、溶胶 凝胶法、沉淀法、水热法甚至于反相微乳液法等。为了获得好的分散性和晶型，合成过程中还要结合哪些技术 进行？冷冻干燥技术、气相喷雾技术、高温煨烧处理、高温固相技术。L立方MCM-48的X射线多晶衍射谱图中（211）面峰的晶面间距d211和晶胞参数a之间的关系为d211=a/根号62, 透射电子显微成像的衬度类型包括：质厚衬度、衍射衬度和相位衬度3, 引入氧化硅介孔分子筛中的金属存在形式包括：四面体高度分散状态和八面体聚集状态4, 六方MCM-41的X射线多晶衍射谱图中（100）面峰的晶面间距dl00和晶胞参数a之间的关系为：dl00 二 a* 根号（3/2）5, 介孔氧化硅分子筛的29Si固体魔角核磁的化学位移值包括：90, 100和1106, 氧化硅介孔硅烷基化的方法包括：共价键移植法和有机硅烷偶连剂法7, 介孔材料的结构有序性可从X射线多晶衍射谱图中主峰的峰宽0和强度来判断。& 介孔材料的气体吸附-脱附等温曲线是V型的。9, 介孔材料透射电镜图的成像采用的是电子减速散射原理。 ，10, MCM-41的气体吸附-脱附等温曲线的滞后环是IV型的。11, 介孔氧化硅的孔壁是无定形的，沸石分子筛的孔壁是晶化的。12, HMS的孔道是长程无序的，MCM-41的孔道是长程有序的。