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可以有效提高量子产率

文章出处:西安除甲醛 人气:发表时间:2020-12-14

将光触媒的粒子纳米化,从理论上将产生4种纳米效应,可以有效提高量子产率,利于光催化反应进行。

1.能级移动
由量子效应引起的导带电子和价带空穴的能级移动,使光触媒的还原性和氧化性增大,使得不能被普通微米级粒子还原的粒子可以被超微粒子还原。这个效应可以认为与电极反应中电压增大的效果类似。然而单体反应速度并不一定因为光触媒粒子纳米化而加快。例如,在均二苯代乙烯的异构化反应中,使用纳米级的光触媒和常规体相材料相比,活性增大50倍。这是因为对于超微粒子来说,其电子俘获能级在导带附近上升的缘故。并且这种能级的移动伴随着吸收光谱向短波方向移动。这就是常说的“蓝移效应”,这种效应导致纳米光触媒在外观上会带一些微微的蓝光,但是反过来并非外观代微微蓝光的就一定是纳米光触媒,还要通过科学的手段来进行分析。

2.光激发位置趋近表面
半导体的粒径变小,光激发产生的电子-空穴对能很快扩散到催化剂表面。由于光催化反应是在表面发生的,可以使更多的光生电子和空穴被氧化剂或还原剂吸收,有效减少电子和空穴的复合,因此氧化或还原的速率就会增加。
3.电荷分离的效果更好
半导体催化剂与半导体电极相比,其特征之一是半导体催化剂内部产生空间电荷层,这种电势梯度避免了光激发的电子-空穴对的负荷。对粒子状的光触媒来说,电子和空穴必须同时产生,因而空间电荷层会在近距离内产生。对于纳米半导体粒子而言,其粒径通常小于空间电荷层的厚度,在离开粒子中心l距离出的势垒高度V可以表述为: 
V=1/6(l/LD)2 (1-1)
式中,L
D为半导体的Debye长度。在此情况下,空间电荷层的任何影响都可以忽略,光生载流子可通过简单的扩散从粒子内部迁移到粒子表面,而与电子给体或受体发生还原或氧化反应。计算表明,在粒径为1um的TiO2粒子中,电子从体内扩散到表面的时间约为100ns;而在粒径为10nm的微粒中该时间只有10ps。因此粒径越小,电子与空穴复合的几率越小,电荷分离效果越好,从而提升光催化活性。

4.表面积增大

对于所有的催化剂,超微粒子化将使表面积增大,从而使催化剂活性增大。对于粒径在12-150nm的TiO2光催化剂,从水中或乙醇中产生氢的活性与粒径成反比例关系,小于12nm的TiO2活性更是成指数级上升。高表面积,使得催化剂与反应物接触的可能大大增加,也就是说如果粒径减少使得比表面积增大10倍就等效于大颗粒光催化剂浓度增加10倍[假设浓度增加时颗粒不再团聚],所以真正的纳米光触媒含量一般在2g/L-8g/L之间就可以达到每L有效作用200-300m2的效果,超过这个浓度范围反而会导致效果下降,而落后的大颗粒体相光触媒产品则需要更高的浓度,不过即便是这样也很难达到纳米奥因光触媒的效果。

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