毕业论文课题相关文献综述

文 献 综 述

一．研究背景

随着现代工业的发展，能源资源逐渐减少乃至枯竭，环境污染日益严重。能源短缺和环境恶化是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题。1972年，Fujishima和Honda 在n型半导体TiO₂电极上发现了水的光电催化分解作用^[1]，开辟了半导体光催化这一新领域，为人类开发利用太阳能开辟了崭新的途径。太阳能是取之不尽，用之不竭的一次性能源，不像常规能源那样释放出大量二氧化碳气体引起温室效应，具有广阔的应用前景。即使地球上一小部分的太阳能得到利用，很多能源问题都可以迎刃而解，因此利用太阳能的研究和应用在全世界受到广泛的重视。其中，光催化能源转化是世界各国政府最重视的研究课题之一。

半导体光催化分解水制氢起始于20世纪70年代，发现水能分解为氢氧混合物，实现水的完全分解^[2]。光电化学池，可利用可见光分解水^[3]。由于金属在地壳中储量有限，半导体光催化技术的大规模应用相应受到限制。2009年，有机半导体C₃N₄光催化性能的开发给光催化材料的研究注入了新的活力。C₃N₄是一种聚合物半导体，带系约为2.7 eV，可以吸收可见光，只含有C，N两种元素，具有化学和热力学稳定性，价格便宜，制备简单，因此它高度满足对可见光光催化材料要求。尽管其光催化性能有待提高，但不失为一种非常具有发展潜力的新型光催化材料。近几年来，很多研究者致力于研究提高C₃N₄光催化材料的活性，主要的方法有提高比表面积，构筑结材料，金属或非金属掺杂等。虽然目前的研究取得了一定的进展，但是如果想在实际中应用，活性还远远不够。

二．光催化的基本机理

光催化是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。我们将为半导体在光的照射下将低密度的太阳能转化为高密度的化学能，并促使化合物的合成或使化合物（有机物、无机物）分解的过程称为半导体光催化。半导体材料之所以具有光催化特性，是由其能带结构所决定。根据固体能带理论，半导体的能带是不连续的，充满电子的低能价带（valence band, VB）和空的或不满的高能导带（conductionband, CB）之间存在着禁带，其大小称为禁带宽度，也称带隙（Eg）。当用能量等于或大于带隙的光照射半导体时（hν Eg），处于价带的电子（e^-）就会被激发而跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴（h ）。光生电子、空穴可在电场的作用下分离、迁移到半导体表面，从而在半导体表面产生具有高活性的电子-空穴对，并与吸附在催化剂表面的物质发生氧化还原反应。但是，空穴和电子在催化剂内部或表面也可能直接复合，产生的能量以热能或其它形式的能量散发掉。具体的光催化反应历程如图2所示，其中a表示电子－空穴对的产生；b表示光生空穴在表面氧化电子供体；c表示光生电子在表面还原电子接受体；d表示电子空穴对在表面的复合；e表示电子空穴对在体相的复合^[4]。

一般来说，半导体光催化反应过程包括以下几个步骤：

（1）光致电子－空穴对的产生（fs）

（2）载流子在颗粒内重新结合并放出热量

（3）载流子迁移到颗粒表面并被捕获（10ns～100ps）