3。2。9 小结 35

实验结论 37

3。3 不足与展望： 38

致 谢 40

参考文献 41

第一章 绪 论

1。1 引言

随着全球经济的迅速发展，能源紧缺与环境污染两大问题也日益严重：石油 的开发、煤矿的开采、天然气的发掘等化石燃料的大量使用消耗，据国际能源机 构资料显示，2010 年以来，世界三大能源——石油、天然气和煤炭可供人类利 用年限不超过 50 年、60 年、120 年，使得能源供应需求加剧。同时化石燃料的 燃烧也引起了全球性的环境问题如酸雨、温室效应，而环境、经济、能源三者紧 密相连：经济发展需要能源的带动，经济反过来影响能源。能源改变环境，环境 好坏影响我们怎样更加合理地利用能源。在国际上越来越关心全球气温变暖、海 平面升高、城市绿化建设、城市汽车尾气问题等等的情况下，合理开发和利用新 能源与可再生能源是一条符合发展趋势的可行之路。论文网

氢气，作为二次能源，具有高效、清洁、安全、可贮存、可运输、可再生等 诸多优点，已普遍被人们认为是一种新世纪最理想的无污染的绿色能源，因此受 到了国际社会的高度重视。氢能是太阳能的转化，而太阳能光解水制氢主要经历 了三个阶段：一是 1972 年，由日本东京大学 Fujishima A[1]和 Honda K 两位教授 首次报告发现 TiO2 单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了 利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道 路。；二是瑞士化学家 Michael Gratzel[2]的光助络合催化分解水制氢工作，采用 三双吡啶钌为光敏剂构建的络合催化光解水体系，使得太阳能光解水制氢的研究 工作大大向前迈进了一步。三是 Bard[3]的悬浮体系半导体光催化分解水体系，即 将 TiO2 和 CdS 等光半导体微粒直接悬浮在水中进行光解水反应，半导体光催化 在原理上类似于光电化学池，微小的半导体颗粒类似于一个个悬浮的微电极，使 水分子被催化分解为氢气和氧气。进入 21 世纪，关于光催化氧化技术的研究更 加深入、广泛。使用范围最广泛的半导体光催化剂 TiO2 通过多种合成手段形成 了纳米晶体、纳米粉体、海胆球状以及纳米管状等各种形态的光催化材料，大大 拓宽了其降解有机污染物[4～8]、光催化分解水制氢[9～11]等方面的研究应用。

TiO2 是一种具有较高化学活性、化学稳定性且无毒无害的价格低廉的半导体 光催化剂，在降解污水中有机污染物、分解水制氢等方面具有诱人的应用前景。 但由于纯的 TiO2 材料光催化产氢效率较低，使得其在光解水制氢的应用受到局 限。而近年来的一些研究发现，通过贵金属负载、金属离子掺杂、半导体复合、 染料敏化、使用电子牺牲剂或空穴捕获剂以及改变 TiO2 的形态、大小等方法， 可以在很大程度上减缓光生电子-空穴对的复合或提高其对可见光的吸收利用， 进而提高其光能利用率，催化活性得以提高。

1。2 TiO2 光催化原理

1。2。1 光催化反应的基本原理

半导体是指电导率在金属导电率和电解质导电率之间的物质，其禁带宽度 Eg 一般比 3eV 小。TiO2 是一种 n 型半导体氧化物，其光催化原理可以用半导体 的能带理论来解释。纳米半导体化合物粒子由于受到几何空间的限制，具有区别 于金属或绝缘物质的特殊的不连续的能带结构，如图 1-1 所示，即在充满电子的 价带和空的导带之间存在一个禁带。禁带宽度 Eg 在数值上等于导带与价带二者 的能级差值。根据半导体的光吸收阈值与带隙的关系式 K=1240/Eg 可知常用的 宽带隙半导体的吸收波长阈值大都是在紫外区域。通过能带结构模型计算出半导 体化合物二氧化钛的禁带宽度分别为 3。2eV（锐钛矿相）和 3。0eV（金红石相）。