纳米结构光催化材料：催化剂的制备及其在太阳能燃料和环境修复中的应用

催化剂能促进和加速反应动力学，增加所需反应路径的转化率，而光催化可利用光子来驱动这种催化。《纳米结构光催化材料：催化剂的制备及其在太阳能燃料和环境修复中的应用》将光催化的基本原理和最新科学研究与技术发展相结合，详细论述了纳米光催化剂的组成和制备技术及其在CO，还原、水裂解、大气污染物和水的净化等领域的应用。 《纳米结构光催化材料：催化剂的制备及其在太阳能燃料和环境修复中的应用》适用于从事光催化及纳米催化剂相关领域研究的科研人员参考，也可供相关专业学生参考。

罗民，宁夏大学教授，博导。宁夏材料研究学会理事，国家自然科学基金评审专家。本科、硕士和博士分别毕业于天津科技大学、北京理工大学和西安交通大学。2011.5-2012.5在英国Bristol大学（UOB）化学系英国皇家化学学会院士Stephen.Mann 教授课题组访问学者。2015.8-2016.2在新加坡科技与设计大学（SUTD）Yang Huiying 教授课题组访学。美国陶瓷学会和中国化学学会会员，主要研究领域为低维纳米复合材料制备及其在电化学储能，电容去离子化和光电催化固氮等性能研究。主持完成3 项国家自然科学基金、1 项教育部科学技术重点项目和1 项宁夏自然科学基金项目。现主持在研国家自然科学基金1项，化学工程与技术重点学科“能量转化与光电催化材料”科研创新团队项目1项 。

第1章 能带工程设计高效光催化剂 1 1.1 引言 1 1.1.1 光催化 1 1.1.2 能带结构 3 1.2 能带工程 4 1.2.1 阴离子掺杂 5 1.2.2 阳离子掺杂 8 1.2.3 固溶体 10 1.3 结论 12 参考文献 12 第2章 光化学合成纳米多组分金属催化剂及其在光催化和电 化学水解中的应用17 2.1 引言 17 2.2 析氢反应助催化剂 18 2.3 析氧反应助催化剂 23 2.4 结论和展望 28 参考文献 29 第3章 CO?还原光催化剂和系统优化设计32 3.1 光催化还原CO?32 3.1.1 光催化还原 CO?的反应原理 32 3.1.2 光催化还原CO?的反应模型研究 34 3.2 光催化还原CO?的TiO?基催化剂35 3.2.1 TiO?的结构和性质35 3.2.2 TiO?基光催化剂的修饰改性 36 3.3 光催化还原CO?的非TiO?催化剂40 3.3.1 纳米结构无机光催化剂 40 3.3.2 纳米结构碳基光催化剂 45 3.4 光催化还原CO?的空穴牺牲剂 46 3.4.1 引言 46 3.4.2 无机空穴牺牲剂 46 3.4.3 有机空穴牺牲剂 48 3.5 光催化还原CO?的工艺过程开发和数据收集 48 3.5.1 引言 48 3.5.2 试验和分析实例 49 3.5.3 光催化还原 CO?过程参数 49 3.5.4 光催化还原CO?动力学模型和系统工具50 3.5.5 光催化还原CO?产物确认50 3.5.6 结论 51 参考文献 51 第4章 多相光催化水净化处理 59 4.1 引言 59 4.2 氧化机理 60 4.3 影响多相光催化的因素 61 4.3.1 温度 61 4.3.2 水基质 62 4.3.3 催化剂浓度 63 4.3.4 光的波长和强度 63 4.3.5 基质的初始浓度 64 4.3.6 pH64 4.4 水净化应用 64 4.4.1 有机污染物 66 4.4.2 生物污染物 66 4.5 多相光催化过程可持续性 67 4.5.1 辐射源 68 4.5.2 生命周期分析 69 4.6 结论和展望 71 参考文献 72 第5章 光催化空气净化 78 5.1 前言 78 5.2 光催化室内外气体 79 5.3 在太阳辐射下操作 81 5.3.1 氮氧化物控制 81 5.3.2 臭氧 87 5.3.3自清洁性能 87 5.4 使用人造光源 88 5.5 现行材料评定标准 89 5.6 利用太阳光处理室内外空气 91 5.7 结论 94 参考文献 95 第6章 光催化剂的基体和载体材料 105 6.1 玻璃 108 6.1.1 预处理方法 110 6.1.2 涂层方法 111 6.2 钛 113 6.2.1 预处理方法 114 6.2.2 涂层方法 115 6.3 不锈钢 117 6.3.1 预处理方法 118 6.3.2 涂层方法 119 6.4 塑料 122 6.4.1 预处理方法 123 6.4.2 涂层方法 124 6.5 纺织品 125 6.5.1 预处理方法 125 6.5.2 涂层方法 127 6.6 结论 129 参考文献 130 第7章 二维材料光催化 H?O 分解和 CO?还原141 7.1 引言 141 7.1.1 二维材料光催化 H?O 分解和 CO?还原的 工作原理 141 7.1.2 光催化的挑战和二维材料的兴起142 7.1.3 改善二维材料的光催化性能 144 7.2 二维材料光催化产H? 147 7.2.1 金属氧化物 147 7.2.2 金属硫化物 150 7.2.3 石墨烯 152 7.2.4 石墨状氮化碳 155 7.2.5 黑鳞 160 7.2.6 其他新兴层状催化剂 161 7.3 二维材料光催化还原CO?162 7.3.1 金属氧化物 163 7.3.2 金属硫化物 165 7.3.3 石墨烯基二维材料 165 7.3.4 石墨状氮化碳 167 7.3.5 层状双羟基氢氧化物 169 7.3.6 MXene 172 73.7 其他新兴催化剂 172 7.4 结论和展望 173 参考文献 174 第8章 水中光催化微生物消毒 191 8.1 引言 191 8.2 光催化消毒的基本原理192 8.3 活性氧的作用 194 8.4 光的分布 195 8.5 水化学效应 196 8.6 微生物的性质 196 8.7 水温 198 8.8 新型光催化材料 198 8.9 结论和展望 202 参考文献 203 第9章 等离子诱导光催化转化 209 9.1 引言 209 9.1.1 多相催化剂 209 9.1.2 光催化剂 209 9.2 等离子的概念和等离子诱导光催化210 9.2.1 局域表面等离子体共振 210 9.2.2 等离子诱导光催化 211 9.3 等离子诱导光催化纳米材料212 9.3.1 贵金属纳米结构 212 9.3.2 金属半导体纳米结构 214 9.4 等离子诱导光催化的反应和机理216 9.4.1 纳米结构的光致热效应 217 9.4.2 间接电荷转移机制 220 9.4.3 直接电荷转移机制 220 9.5 结论和展望 223 参考文献 223