新型纳米光催化材料：制备、表征、理论及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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潘春旭 等 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030544551

商品编码：18256311876

包装：平装-胶订

出版时间：2017-09-01

基本信息

书名：新型纳米光催化材料：制备、表征、理论及应用

定价：249.00元

作者：潘春旭 等

出版社：科学出版社

出版日期：2017-09-01

ISBN：9787030544551

字数：

页码：

版次：31

装帧：平装-胶订

开本：128开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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随着工业社会的不断发展，环境污染和能源短缺成为21世纪首先需要解决的问题。在众多环境污染治理方法中，基于纳米氧化物的光催化技术被认为是未来环境净化的主流技术。它具有节能、高效、绿色环保的优势，在去除空气中有害物质、废水中有机污染物的光催化降解，以及除臭、杀菌和防霉等方面都有重要应用前景。本书是依据作者所在课题组近10年来在科技部国家重大科学研究计划（973）项目的支持下在纳米光催化材料领域的研究成果撰写而成的一本专著。本书较为全面系统地介绍了纳米光催化材料的制备、表征、机理、理论计算、性能和应用等内容。章主要介绍了纳米TiO2的结构、制备、性能和应用；第2章简要介绍了微弧氧化技术及其在TiO2薄膜制备和光催化领域的应用；第3章至第32章按照纳米光催化材料的制备、性能、表征和理论顺序撰写。附录一综述了目前发展的先进光催化表征和测试技术。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《光催化领域的前沿探索：环境净化与能源转化的科学之旅》 本书并非一本介绍“新型纳米光催化材料：制备、表征、理论及应用”的书籍。相反，它旨在以一种更宏观、更具普适性的视角，深入探讨光催化科学在现代社会所面临的关键挑战与机遇，以及该领域不断涌现的创新思路与研究方向。本书将引导读者穿越光催化研究的浩瀚星海，从基础原理出发，逐步揭示其在解决环境污染和能源危机等全球性问题中的巨大潜力，并展望其未来的发展趋势。 第一章：光催化之基石——原理与机理的深度解析 在本章中，我们将跳脱具体材料的束缚，专注于光催化现象背后的普适性科学原理。首先，我们将从“光”的本质出发，阐述其如何与半导体材料发生相互作用。这包括对光子能量、波长与半导体禁带宽度关系的深入探讨，理解光吸收是光催化反应的起点。随后，我们将详细解析载流子的产生、分离与迁移过程，这是实现光催化活性的核心环节。我们将介绍电子-空穴对的形成机制，以及不同材料中载流子分离效率的差异，并深入探讨影响这一过程的关键因素，如材料的晶体结构、缺陷态、表面形貌以及异质结的构建。 接着，本书将聚焦于光生载流子如何参与催化反应。我们将深入分析电子和空穴在氧化还原反应中的作用，以及它们如何与吸附在催化剂表面的反应物（如水、氧气、污染物分子等）发生化学转化。我们将详细介绍自由基的产生机制，特别是羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•O₂⁻）在降解有机污染物中的关键作用，并探讨它们的生成途径与反应活性。此外，我们还将触及光催化过程中的表面吸附与脱附动力学，理解反应物与催化剂表面相互作用的强度和方式如何影响反应速率。 为了更直观地理解光催化机理，我们将引入一系列重要的概念，例如： 能带工程： 探讨如何通过调节半导体材料的能带结构来优化光吸收和载流子分离，包括同质结、异质结的形成原理，以及掺杂、表面修饰等策略。 缺陷工程： 分析材料中本征缺陷（如氧空位）和外在缺陷（如掺杂引起的缺陷）对光催化性能的影响，包括它们如何影响载流子浓度、复合中心以及表面活性位点的形成。 表面科学： 强调催化剂表面结构、形貌、比表面积以及表面活性位点对光催化效率的重要性，并介绍理解这些微观结构的技术手段。 反应动力学： 简要介绍描述光催化反应速率和转化率的动力学模型，帮助理解影响反应效率的宏观因素。 通过对这些基础原理和核心概念的深入解析，本章将为读者构建一个坚实的理论框架，为后续深入理解各种光催化材料及其应用奠定坚实的基础。 第二章：迈向高效——光催化材料的设计理念与策略 在理解了光催化基本原理之后，本章将转向如何设计和开发更高效的光催化材料。我们将聚焦于材料设计中的核心理念，即如何通过精巧的结构调控和组分优化来提升光催化性能。 首先，我们将探讨“多组分协同”的设计思路。这包括： 异质结的构建： 详细阐述不同半导体材料之间形成异质结所带来的优势，如能带错位引起的内建电场有效分离载流子，以及不同材料之间优良的氧化还原电位匹配。我们将介绍常见的异质结类型，如I型、II型和Z型异质结，并分析它们在促进载流子分离和提升光电转化效率方面的机制。 单原子催化剂（SACs）： 介绍将单个金属原子分散到载体材料上形成单原子催化剂的策略。这种设计能够最大化利用贵金属的催化活性，并提供独特的电子结构和催化活性位点，特别是在氧化还原反应中表现出优异的性能。 量子点（QDs）的集成： 探讨如何将具有独特光物理性质的量子点作为助催化剂或功能组分引入光催化体系。量子点能够有效拓宽吸收光谱范围，提高光捕获效率，并可能促进载流子的注入和分离。 金属-半导体复合： 分析贵金属（如Au, Ag, Pt）在半导体表面沉积所带来的表面等离激元共振（SPR）效应，这种效应能够增强局域电场，提高光吸收，并促进电子注入，从而显著提升光催化活性。 其次，本章将深入探讨“结构调控”的重要性。 纳米结构设计： 强调纳米尺寸对光催化材料性能的决定性影响。我们将介绍各种纳米形貌（如纳米颗粒、纳米线、纳米片、介孔结构、多孔骨架等）的设计理念，以及它们如何影响比表面积、活性位点密度、载流子传输以及光传播。 缺陷工程的深化： 在此基础上，我们将更深入地讨论如何通过精确控制材料的本征缺陷（如氧空位、晶格畸变）和引入外在缺陷来优化电子结构和催化活性。例如，氧空位可以作为储存氧气和活化氧分子的位点，并可能改变材料的导电性和载流子注入效率。 表面官能团修饰： 探讨通过在催化剂表面引入特定的官能团（如羟基、羧基、氨基等）来增强对目标反应物的吸附能力，提高反应物转化率，或作为新的活性位点参与催化反应。 最后，我们将讨论“功能集成”的设计策略，即如何将光催化功能与其他功能（如吸附、分离、抗菌等）集成到同一材料中，实现协同效应，从而解决更复杂的问题。 通过本章的学习，读者将能够理解当前光催化材料设计中的主流思想和前沿策略，为进一步探索和开发高性能光催化材料提供思路。 第三章：环境净化的守护者——光催化在水处理与空气净化中的应用 本章将聚焦于光催化技术在解决当前紧迫的环境污染问题中的实际应用，特别是其在水处理和空气净化方面的卓越表现。 在水处理领域，我们将详细阐述光催化技术如何有效地降解水体中的各类污染物。 有机污染物降解： 重点介绍光催化剂如何通过氧化还原反应，将难以生物降解的有机污染物（如染料、农药、抗生素、内分泌干扰物、工业废水中的有毒物质等）分解为二氧化碳和水等无害物质。我们将深入分析不同类型污染物在光催化降解过程中的反应路径和影响因素，例如pH值、污染物浓度、催化剂种类和用量、以及光照强度等。 重金属离子的去除： 探讨光催化剂如何通过吸附、沉淀、甚至还原等方式去除水中的重金属离子。某些光催化材料表面可以提供丰富的吸附位点，而光生载流子则可以参与重金属离子的氧化还原反应，将其转化为毒性较低的形态或使其沉淀析出。 细菌与病毒的灭活： 介绍光催化材料在杀灭水中细菌和病毒方面的应用。光生自由基（如•OH）能够有效地破坏微生物的细胞膜和DNA，从而达到消毒灭菌的目的，为饮用水安全提供保障。 水分解制氢： 尽管并非直接的环境净化，但本书也将简要介绍光催化水分解制氢作为一种清洁能源获取方式，与环境保护目标相契合。这涉及到光催化剂如何利用太阳能将水分解为氢气和氧气，为未来能源结构的可持续发展提供解决方案。 在空气净化领域，光催化技术同样展现出巨大的潜力。 挥发性有机化合物（VOCs）的去除： 详细讲解光催化剂如何有效分解室内外空气中的VOCs，如甲醛、苯、氨等，从而改善空气质量，减少对人体健康的危害。我们将探讨不同VOCs的降解机理以及影响因素。 氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）的转化： 介绍光催化技术在去除汽车尾气和工业废气中的NOx和SOx方面的应用。光催化剂可以将这些有害气体转化为硝酸盐、硫酸盐等相对无害的物质，减少酸雨的产生和空气污染。 颗粒物的去除： 探讨光催化剂表面如何通过产生自由基来氧化吸附在表面的颗粒物，或改变其性质使其更容易被清除。 此外，本章还将探讨光催化在自清洁表面、防雾霾涂层等领域的应用，展示光催化技术如何渗透到我们生活的方方面面，提升生活品质。 第四章：能源转化的绿色引擎——光催化在太阳能利用中的角色 本章将深入探讨光催化技术在能源领域的关键作用，特别是其在利用太阳能、发展清洁能源方面的巨大潜力。 光催化水分解制氢： 这是光催化能源应用中最受关注的领域之一。本书将详细介绍光催化剂在水分解过程中扮演的角色，包括： 光吸收： 材料如何有效地吸收太阳光谱中的光子能量。 载流子分离与传输： 如何高效地分离光生电子和空穴，并将其传输到活性位点。 水氧化与水还原： 电子和空穴在催化剂表面如何参与水的氧化（生成氧气）和水的还原（生成氢气）反应。 助催化剂的作用： 介绍助催化剂（如Pt, RuO₂等）如何降低反应能垒，提高产氢速率。 体系设计： 探讨悬浮体系、固定床体系以及膜反应器等不同体系的设计，以优化制氢效率和规模化生产。 挑战与机遇： 分析当前光催化制氢面临的挑战，如催化剂的稳定性、成本以及太阳能利用效率的提升，并展望未来的发展方向。 光催化二氧化碳还原： 另一个重要的能源转化方向是利用光催化技术将过量的二氧化碳转化为有价值的化学品，如甲醇、甲烷、甲酸等。 CO₂活化： 介绍光催化剂如何有效地吸附和活化CO₂分子，降低其反应惰性。 还原产物的多样性： 分析不同光催化剂如何选择性地将CO₂还原为不同的产物。 供氢体的重要性： 探讨水、醇等不同供氢体在CO₂还原过程中的作用。 经济可行性： 讨论该技术在实现碳捕获与利用（CCU）方面的经济性和环境效益。 光催化合成： 除了制氢和CO₂还原，光催化还可以用于直接合成其他有价值的化学品，如有机物合成、氧化反应等。本书将简要介绍一些代表性的光催化合成案例，展示其在精细化工和有机合成领域的应用潜力。 光电催化耦合： 介绍光电催化器件，如染料敏化太阳能电池（DSSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSCs）中光催化材料的作用，以及它们如何与其他组件协同工作，实现高效的光电转换。 本章将强调光催化能源技术在减少对化石燃料依赖、缓解气候变化方面的战略意义，并展望其在构建可持续能源体系中的核心地位。 第五章：展望未来——光催化领域的挑战与创新趋势 在对光催化原理、材料设计、环境应用和能源转化进行全面回顾之后，本章将着眼于未来，探讨光催化领域当前面临的关键挑战以及正在涌现的创新趋势。 挑战： 效率提升： 尽管已有显著进展，但光催化剂的实际应用效率仍需进一步提高，特别是在可见光区域的吸收和载流子分离效率。 稳定性与耐久性： 许多光催化剂在长期运行过程中容易失活，需要开发更稳定、更耐用的材料。 成本控制： 部分高性能光催化材料的制备成本较高，限制了其大规模工业化应用。 规模化生产： 如何实现实验室研究成果向工业规模生产的转化，是一个普遍存在的挑战。 机理的深入理解： 尽管取得一定进展，但许多光催化过程的微观机理仍需进一步阐明，特别是涉及到复杂的多相反应和自由基行为。 创新趋势： 人工智能与机器学习的应用： 探讨如何利用AI和机器学习算法加速新型光催化材料的设计、筛选和性能预测，大大缩短研发周期。 原位表征技术的发展： 强调原位（in-situ）和准原位（operando）表征技术在揭示真实反应条件下催化剂结构、电子状态和反应路径中的关键作用。 多功能一体化材料： 发展能够同时具备光催化、吸附、分离、传感等多种功能的集成化材料，解决更复杂的多问题耦合挑战。 生物启发式光催化： 借鉴自然界中生物光合作用的原理，设计更高效、更智能的光催化体系。 光热协同催化： 结合光催化与光热效应，利用光热转换提高反应温度，加速反应速率，并可能改变反应路径。 智能光响应材料： 开发能够根据外界光照条件智能调控自身性能的光催化材料。 新型反应体系的探索： 探索光催化在更多领域的应用，如电化学、生物医学等。 理论计算的指导： 强调第一性原理计算、分子动力学模拟等理论计算方法在理解材料特性、设计新型材料和预测反应机理中的重要指导作用。 本章将为读者勾勒出光催化科学未来的发展蓝图，激励科研人员和工程师们在这一充满希望的领域继续探索，不断突破。 本书并非一本具体的材料手册，而是旨在构建一个关于光催化科学的完整知识体系，从基础原理到前沿应用，再到未来展望。它希望能够激发读者对光催化科学的兴趣，并为相关领域的深入研究和创新实践提供宝贵的指导和启示。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在光化学领域摸爬滚打多年的研究者，我对“纳米光催化材料”这个方向的最新进展一直保持着高度的关注。这本书的标题《新型纳米光催化材料：制备、表征、理论及应用》直接击中了我的痛点和兴趣点。我尤其看重“理论”和“应用”这两个部分。目前，虽然我们能够制备出各种性能优异的纳米光催化材料，但对其内在的催化机理，尤其是光生载流子的分离和传输机制，仍有许多未解之谜。我期望这本书能够深入剖析最新的理论模型，比如密度泛函理论（DFT）在计算光催化材料电子结构和反应路径方面的应用，以及如何通过理论计算来指导材料的设计和优化。同时，对于“应用”部分，我希望看到那些具有实际应用前景的最新研究成果，例如在高效储能、环境修复、生物医学等领域的突破性进展。如果书中能够对不同应用场景下材料的性能要求和面临的挑战进行详细的讨论，并给出相应的解决方案，那将对我的科研工作具有极大的启发意义。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题听起来就充满了前沿科技的魅力，特别是“纳米光催化材料”这个词，立马勾起了我对高性能材料研究的兴趣。我一直对如何利用光能来驱动化学反应，尤其是那些能够解决环境污染或能源短缺问题的催化过程非常着迷。这本书的标题暗示着它会深入探讨这些新型材料的方方面面，从它们是如何被“制备”出来的，到如何通过各种“表征”手段去理解它们的结构和性质，再到“理论”层面的机理分析，最后落脚于它们的实际“应用”。这种从基础到应用的完整覆盖，对于像我这样希望全面了解一个新兴领域的研究者来说，简直是福音。我尤其期待看到作者如何阐述不同纳米结构的设计思路，以及它们如何影响光吸收、载流子分离和催化活性。同时，对于“表征”部分，我希望能够看到最新的谱学、显微学和电化学技术在纳米光催化材料研究中的应用案例，这些技术细节往往是理解材料性能的关键。如果书中能结合具体的案例，比如用于水分解制氢、CO2还原、有机污染物降解等，那就更棒了，能让我直观地感受到这些材料的潜力。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的标题《新型纳米光催化材料：制备、表征、理论及应用》感到非常好奇。作为一名对环保和新能源技术感兴趣的普通大众，我一直关注着科技界在这方面的最新动态。纳米技术和光催化结合，听起来就像是为解决我们这个时代最紧迫的挑战提供了一种全新的解决方案。这本书的标题涵盖了从“制备”到“应用”的完整流程，这让我觉得它一定是一本内容非常丰富、条理清晰的书。我尤其对“应用”这部分充满期待，想知道这些“新型纳米光催化材料”究竟能为我们带来哪些具体的改变。比如，它们能否让太阳能发电效率更高？能否净化我们呼吸的空气？能否处理工业废水，让我们的河流重焕生机？我很想知道书中是否会用生动有趣的例子来解释这些复杂的科学原理，让像我这样的非专业人士也能理解其中的奥妙。同时，“制备”和“表征”听起来像是科学家的“魔法”，我很想了解他们是如何创造出这些微小但强大的材料的。

评分☆☆☆☆☆

我对《新型纳米光催化材料：制备、表征、理论及应用》这本书的标题印象深刻，因为它准确地概括了当前材料科学领域的一个核心研究方向。作为一名材料专业的博士生，我目前的研究课题就与光催化材料的性能提升有关，因此这本书的内容对我来说具有极大的参考价值。我特别关注“制备”和“表征”这两个关键词。在实际的研究工作中，高效、可控地制备出具有特定形貌和结构的纳米光催化材料是实现其优异性能的基础。我希望书中能够详细介绍各种先进的制备技术，例如原子层沉积（ALD）、化学气相沉积（CVD）等，以及它们在构建复杂纳米结构中的优势。同时，对于“表征”部分，我期待能够看到对最新表征技术，如原位X射线光电子能谱（XPS）、瞬态吸收光谱等在理解光催化机理中的应用进展。如果书中能够提供详细的实验步骤和数据分析方法，并与相关的理论解释相结合，那将对我开展实际研究具有直接的指导意义。

评分☆☆☆☆☆

我是一位对材料科学抱有浓厚兴趣的普通读者，虽然我的专业背景并非直接与纳米光催化相关，但“新型纳米光催化材料”这个主题无疑触动了我对科技发展前沿的好奇心。这本书的标题非常吸引人，因为它点出了“新型”和“纳米”这两个关键词，暗示了其内容的新颖性和在微观尺度上的精细控制。我猜想，这本书不仅仅是枯燥的学术论文堆砌，而更像是一扇窗户，让我得以窥见科学家们是如何在原子和分子层面创造出具有神奇功能的材料。特别是“制备”和“表征”这两个词，让我联想到了一系列精巧的实验过程，从原材料的选择到复杂的合成工艺，再到运用高科技仪器去“看”清这些纳米结构，这本身就是一门艺术。我好奇书中会介绍哪些创新的制备方法，是溶胶-凝胶法、水热法，还是其他更具突破性的技术？而“表征”又将涉及哪些前沿的分析技术？我想，这本书应该能够用相对易懂的方式，向我这样的非专业读者展示这些复杂的技术原理及其在纳米光催化材料研究中的价值。