非均相光催化基础与应用

本书在介绍非均相光催化反应概念、机理、动力学、材料制备和应用的基础上，对半导体的结构和表面修饰、光诱导电荷转移过程、金属-半导体界面纳米结构调控做了比较深入的探讨。在理论和应用两个方面讨论了光催化材料在环境污染物分解、分解水制氢、二氧化碳光化学还原和光催化有机合成等领域的应用。介绍了近二十年来蓬勃发展的光催化剂及其应用，如金属有机骨架化合物、钙钛矿类光催化剂、共轭聚合物光催化剂、碳点光功能材料等，希望能给读者带来新的认识和启示。 本书可作为高等院校光催化相关专业研究生教材和专业技术人员的参考书。

刘春艳，中国科学院理化技术研究所研究员。长期从事超细粒子制备和性能、光催化和纳米光催化环境净化材料研究。在金属、半导体及其复合超细粒子制备和性能、纳米结构的表面和界面性质与功能化研究方面积累了丰富的经验。特别在以下三方面进行了创造性工作：（1）金属/半导体异质结构研究；（2）尺寸、结构与形态可控的纳米材料结构设计与制备；（3）同属晶种核壳结构材料制备与性能研究。代表性著作有：译著《照相感光度——理论和机理》，河北教育出版社，2002；《纳米光催化与光催化环境净化材料》，化学工业出版社，2008。 刘云，中国科学院理化技术研究所副研究员。研究领域包括：（1）光催化材料的设计、合成、表/界面性能及应用研究；（2）碳发光材料合成、发光机理及其表/界面的化学与光化学；（3）光功能材料在环境、能源方面的应用研究。

第1章 非均相光催化基础 001 1.1 基本概念 001 1.1.1 光催化反应及光催化剂 001 1.1.2 光催化反应的类型 002 1.2 半导体的光催化反应机制 003 1.2.1 带隙激发 003 1.2.2 去活化过程 004 1.2.3 半导体光催化反应机理 005 1.2.4 反应过程动力学 007 1.2.5 影响光催化反应的因素 008 参考文献 013 第2章 TiO2光催化剂 014 2.1 TiO2光催化剂的结构 014 2.1.1 TiO2的晶体结构 014 2.1.2 TiO2的能带结构与带隙 016 2.1.3 能带弯曲和Schotky势垒 018 2.2 TiO2晶体的X射线衍射的性质 020 2.3 TiO2晶体的电子性质 021 2.4 TiO2晶体的光学性质 023 2.5 TiO2光催化剂的设计与制备 024 2.5.1 TiO2纳米晶体 025 2.5.2 TiO2纳米晶体的制备 027 2.5.3 TiO2纳米晶体的尺寸、晶相和形态控制 031 2.5.4 板钛矿型TiO2 035 2.5.5 TiO2一维纳米结构 038 2.5.6 空洞结构纳微米TiO2 042 参考文献 051 第3章 非TiO2光催化剂 055 3.1 过渡金属复合物 056 3.2 镉离子与硫属元素组成的ⅡB-ⅥA族半导体光催化剂 057 3.3 金属-有机骨架结构 058 3.3.1 MOF组装和结构 058 3.3.2 MOF作为光催化剂的反应机制 059 3.3.3 MOF在水污染物治理中的应用 060 3.4 钙钛矿型光催化剂 060 3.4.1 钙钛矿光催化反应机制 061 3.4.2 钙钛矿光催化剂的发展 063 3.5 共轭聚合物类光催化剂（有机聚合物半导体光催化剂） 067 3.5.1 类石墨相氮化碳（g-C3N4） 068 3.5.2 共价有机骨架聚合物 073 3.5.3 共轭微孔聚合物 075 3.5.4 线型和梯形共轭聚合物 076 3.5.5 共轭超分子自组装光催化剂 078 参考文献 080 第4章 光催化剂的表面修饰 084 4.1 复合半导体 085 4.1.1 宽带隙半导体修饰 085 4.1.2 窄带隙半导体修饰 086 4.1.3 修饰用半导体的尺寸效应 087 4.2 染料敏化 089 4.3 金属沉积 090 4.3.1 金属纳米颗粒在光活性氧化物上的光化学沉积 091 4.3.2 金属-载体的光谱性质 092 4.3.3 金属沉积诱导的光化学性质改变 098 4.4 金属掺杂 100 4.5 非金属掺杂 101 4.6 TiO2基固体超强酸光催化剂 104 4.7 多元化修饰技术 105 4.8 光催化剂的负载 107 4.9 Z型异质结结构光催化剂 108 4.10 一维纳米结构的表面修饰 110 4.10.1 掺杂 110 4.10.2 包覆 111 参考文献 113 第5章 高级氧化反应 116 5.1 高级氧化反应的类型 118 5.1.1 Fenton反应 118 5.1.2 Fenton反应机理 118 5.1.3 类Fenton反应 119 5.1.4 Fenton反应的影响因素 120 5.1.5 过氧化氢组合体系 121 5.1.6 其他体系：杂多酸盐/H2O2光催化体系 123 5.2 高级氧化与光催化 123 5.3 高级氧化与光催化体系的应用 125 参考文献 126 第6章 光催化在基础有机化学研究中的应用 128 6.1 有机化合物的光催化反应 128 6.1.1 有机化合物的光催化氧化 128 6.1.2 有机化合物的光催化还原 128 6.1.3 有机化合物的光催化异构化 130 6.1.4 有机化合物的光催化取代 131 6.2 光催化在基础有机合成中的应用 131 6.2.1 光催化有机合成的基本过程 132 6.2.2 影响光催化有机合成效率和选择性的因素 133 6.2.3 代表性的光催化有机合成反应 137 6.2.4 光催化剂在选择性有机合成中的应用 138 参考文献 147 第7章 光催化环境净化材料 149 7.1 光催化在环境治理方面的应用 149 7.1.1 光催化氧化能力 150 7.1.2 光致超亲水性 150 7.2 利用光催化反应处理污水 153 7.3 空气净化 156 7.4 抗菌、防霉、除臭 157 参考文献 158 第8章 非均相光催化在能源领域的应用 159 8.1 光催化分解水制氢 159 8.1.1 助催化剂 160 8.1.2 牺牲剂 164 8.2 CO2的光催化还原 169 8.2.1 CO2光催化还原反应机制 170 8.2.2 TiO2催化的CO2光还原反应 171 8.2.3 MOF在CO2非均相光催化还原反应中的应用 172 8.2.4 CO2光催化还原反应在环境和能源方面的利用 173 参考文献 174 第9章 碳点及其复合物的光催化反应 176 9.1 碳点的分类及电子结构 176 9.2 碳点的光谱性能 178 9.2.1 “自上而下法”合成的碳点的光谱特性 178 9.2.2 “自下而上法”合成碳点的光谱特征 180 9.2.3 “有机全合成法”合成碳点 182 9.3 碳点在非均相光催化过程中的作用 184 9.3.1 光催化剂 184 9.3.2 光敏剂 185 9.3.3 转光剂 187 9.4 碳点在光催化领域中的应用 187 9.4.1 有机光合成 187 9.4.2 光催化分解水产氢 188 9.4.3 CO2光还原 190 9.4.4 污染物治理 190 参考文献 192