光催化与锂离子电池ppt课件.ppt

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1、光催化 锂离子电池,光催化 光催化的概念 光催化原理二氧化钛光催化剂光催化的应用与光解水制氢,何谓光催化净化？,光催化剂（一般为半导体材料）在光(可见光或者紫外光)的照射下，通过把光能转化为化学能，从而具有氧化还原能力，使化合物（有机物、无机物）被降解的过程称为光催化净化。,从光合作用这种最简单的光催化反应，总结下一个光催化反应发生的三个基本条件：,叶绿素-光催化剂光-特定波长范围（400-600nm之间最佳），非所有光都可以反应物-二氧化碳和水,光催化剂-一般为半导体材料光-也是特定波长范围，非所有光都可以，一般处于紫外线范围的光的效果最佳。反应物-室内空气中的有机物,光催化净化反应的三个基

2、本条件：, 光触媒PHOTOCATALYSIS 光 Photo=Light + 触媒(催化剂)catalyst的合成词。光触媒是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，光触媒是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的 OH. 及 O 2 - 自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。,几种常用的光触媒,TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等纳米光触媒：CdS,Fe2O3,TiO2,ZnO等

3、TiO2的优点： 催化活性高、化学性质稳定、成本低、无毒因此被广泛应用,当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光生电子-空穴。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的自由基基团（ HO . ）电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的自由基基团(.O2-, HO . 等)空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2, H2O,A: 半导体吸收光，产生电子和空穴的过程,B: 电子和空穴表面复合过程,C:电子和空穴体内复合过程,D: 还原过程,E: 氧化过程,其中，光催化分解反应机理如下：,二氧化钛

4、表面光致电子和光致空穴的产生与流向,TiO2 催化剂,TiO2光催化反应机理,当以波长小于385nm的光照射TiO2表面时，价带电子能够被激发产生光生电子空穴对，同时激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，使光能以热能或其他形式散发掉，如下式所示：,当TiO2催化剂存在合适的俘获剂时（如H2O或O2），电子和空穴的重新复合得到抑制，在它们复合之前，就会在光催化剂表面发生氧化还原反应：,表面的羟基自由基具有很强的催化氧化降解作用-降解污染物,TiO2膜是由许多TiO2微小颗粒构成的呈交叉网状结构的多孔-微晶立体膜。膜的真实比表面很大，对光的吸收十分有利。,TiO2光催化降解的优点和不足,能耗低，

5、反应条件温和，在紫外光和太阳光照射下就可以发生反应反应速度快，有机污染物可在几分钟到数小时内被完全破坏降解没有选择性，几乎能降解任何有机物。消除二次污染，矿化产物为无机离子，CO2，H2O廉价，无毒TiO2光催化反应催化剂易分离和重复使用,优势,大都以汞灯为光源进行光催化降解，很少利用太阳光作为光源悬浮型和负载型光催化反应器中催化剂和光源的利用率不高 光生电子-空穴对的转移速度慢，复合率较高，导致光催化效率低，反应转化率较低通常只能用紫外光活化，太阳光利用率低,不足,提高TiO2光催化活性的途径,目前的TiO2光催化剂存在两个问题： 效率低 只能吸收紫外光,解决方法：,修饰,贵金属沉积,沉积A

6、g后的TiO2光催化性能,复合半导体,CdS吸收可见光产生电子和空穴，电子会从CdS的导带流向更稳定的TiO2的导带，并在TiO2的导带富集，而空穴会富集在CdS的价带，有效分离光生电子与空穴，提高了光催化结果,离子掺杂修饰,金属离子掺杂,非金属金属离子掺杂,Fe3+、Co2+、Cr3+,碳、氮、硫及卤素,金属离子可捕导带中的电子，抑制电子和空穴的复合，但是掺杂浓度过高，金属离子可能成为电子空穴复合中心。两者综合作用的结果就形成一个波峰，金属离子的掺杂浓度对TiO2光催化效果的影响通常呈现抛物线关系。,表 光催化降解部分有机污染物,TiO2光催化降解有机污染物应用,光催化技术应用领域,1972

7、年 Fujishi ma和 Honda 首次报道了可在以 TiO2为光阳极的光电化学电池中 , 用紫外光照射光阳极使水分解为 H2和 O2 , 这是具有“ 里程碑 ” 意义的一个重要发现 , 这预示着人们能利用廉价的太阳能通过半导体催化使水分解从而获得清洁的氢燃料。,光催化分解水的反应机理,1.absorption of photons to form electronhole pairs. 2.charge separation and migration of photogenerated carriers. 3.Construct the active sites for redox r

8、eactions.,h+,e-,Reduction,Oxidation,CB,VB,H2O,O2,H+,H2,H+/H2（SHE0 V）,O2/H2（E1.23 V）,e-,e- +h+,e- +h+,e-,h+,h+,h,Bulk recombination,Surface recombination,半导体微粒要完全分解水必须满足如下基本条件： 半导体微粒禁带宽度 即能隙 必须大于水的分解电压 理论值1.23eV; 光生载流子 (电子和空穴) 的电位必须分别满足将水还原成氢气和氧化成氧气的要求。具体地讲 ,就是光催化剂价带的位置应比 O2/H2O的电位更正 ,而导带的位置应 比H2/H2O

9、更负;光提供的量子能量应该大于半导体微粒的禁带宽度 。,683 1.80eV400 3.07eV,常见半导体材料的能带结构,-1.0,0.0,1.0,2.0,3.0,SrTiO3,TiO2,SnO2,3.2eV,3.2,3.8,WO3,2.8,Ta2O5,ZrO2,Nb2O5,H+/H2（E0 V）,4.6,5.0,3.4,3.2,3.6,ZnO,ZnS,SiC,3.0,Evs.SHE(pH=0)/eV,CdS,O2/H2O（E1.23 V）,2.4,绝大部分只能吸收不到5的太阳光(紫外部分)!,半导体复合型光催化剂,半导体复合的目的在于促进体系光生空穴和电子的分离，以抑制它们的复合，本质上可

10、以看成是一种颗粒对另一种颗粒的修饰，其修饰方法包括简单的组合，掺杂，多层结构和异相组合，插层复合等。,层间插入CdS复合物光催化反应的电子迁移模型,研究最多的是CdST iO 2 体系 CdS 在激发过程中产生的空穴留在其价带中, 而电子则从CdS导带转移到T i O 2 导带中, 这明显地增大了电荷分离和光催化反应效率.,在光催化剂 (CdS) 表面共担载还原 (Pt) 和氧化 (PdS) 双组份共催化剂，有效地解决了电子和空穴的分离和传输问题，利用牺牲试剂在可见光照射下取得了93%的产氢量子效率，已经接近自然界光合作用原初过程的量子效率水平。由于氧化共催化剂的担载有效地避免了光催化剂的光腐

11、蚀现象，使该三元催化剂表现出很高的稳定性，显示出重要的工业应用前景。,染料敏化光催化分解水制氢 染料敏化是利用太阳能的一个非常有效手段 , 在染料敏化的太阳能电池研究中取得了巨大的成就. 一些具有合适的氧化还原电位、 对可见光吸收效率较高的染料都可以应用到染料敏化光催化领域. 染料敏化半导体一般涉及 3个基本过程: 染料的吸附、 吸附态染料被激发、 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带上。,锂离子电池 The Magic Batteries,成员：谢秋霞1005100203田华丽1005100208王春貌1005100508张 芬1005100620,锂元素的物理、化学性质 锂离子电池的工作

12、原理与组装技术 正极材料 负极材料 电解质 电极材料研究方法 锂离子电池应用与展望,锂元素的物理、化学性质 锂离子电池的工作原理与组装技术 正极材料 负极材料 电解质 电极材料研究方法 锂离子电池应用与展望,锂元素的物理、化学性质,锂离子的英文为Lithium,化学符号Li,其处于元素周期表的S区，碱金属；为第一周期元素。 锂的熔点、硬度高于其他碱金属，其导电性则较弱。,锂与空气反应 4Li + O2 2Li + O2 锂与水反应 2Li + 2H2O 锂与卤素反应 2Li + F2 2Li + Cl2 2Li + Br2 2Li + I2锂与硫酸反应 2Li + H2SO4,锂的某些化学反应

13、,2Li2O Li2O2 2LiOH + H22LiF2LiCl2LiBr2LiI2Li+ +SO42- + H2,锂元素的物理、化学性质 锂离子电池的工作原理与组装技术 正极材料 负极材料 电解质 电极材料研究方法 锂离子电池应用与展望,锂离子电池是由锂电池发展而来的锂电池的负极材料是锂金属，正极材料是碳材:锂电池。锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极材料是碳材。电池通过正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程，为了区别于传统意义上的锂电池，所以人们称之为锂离子电池。,锂离子电池与锂电池,在锂离子电池中，锂永远以锂离子的形态出现，不会以金属锂的形态出现，就不会出现燃烧、

14、爆炸等危险。锂离子在阳极和阴极之间移动，电极本身不发生变化。这是锂离子电池与锂电池本质上的差别。从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电也随之淘汰了。区分它们的方法也相当简单：从电池的标识上就能识别，锂电的标识为Li，而锂离子电池为Li-ion,锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。,工作原理,锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。以碳素材料为负极，含锂的化合物为正极。锂离子电池的

15、充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。,目前市场上的锂离子电池主要有三种类 型，即纽扣式、方形和圆柱形。 锂离子电池在结构上主要有五大块：正极、 负极、电解液、隔膜、外壳与电极引线。 锂离子电池的结构主要分卷绕式和层叠式 两大类。,具有代表性的圆柱形锂离子电池构造图,锂离子电池的基本组成,正极材料 （LiCoO2、LiMn2O4）负极材料 （碳基负极材料）电解质 （LiPF6）隔膜 （PE）黏结剂 （CMC、SBR、PVDF溶剂体系）,锂离子电池生产流程图,锂元素的物理、化学性质 锂离子电池的工作原理与组装技术 正极材料 负极材料 电解质 电极材料研究方法 锂离子电池应用与展望,正极材料按材

16、料种类可分为无机材料、复合材料、聚合物材料三种。具有代表性的无机材料是LiCoO2。,正极材料的制备方法,溶剂热法合成高温反应法溶胶-凝胶法低温固相反应法电化学合成法机械化学活化法,不同制备方法合成LiMn2O4的循环性能图,锂元素的物理、化学性质 锂离子电池的工作原理与组装技术 正极材料 负极材料 电解质 电极材料研究方法 锂离子电池应用与展望,负极材料是锂离子电池的主要组成部分，负极材料性能的好坏直接影响到锂电池的性能。 高能便携电源的需求激增，加大了对锂离子小电池的需求，高容量、有着可靠循环性的负极材料成为人们研究的重点。 大容量动力电池的的应用，加大了对电池材料，尤其是高性能负极材料的

17、需求。,负极材料的重要性,锂电池负极材料,碳负极材料锡基负极材料含锂过渡金属氮化物负极材料合金类负极材料纳米级负极材料纳米氧化物材料,石墨类碳材料,无定形碳材料,天然石墨,人工石墨,改性石墨,软碳,硬碳,碳负极材料,目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。,锂元素的物理、化学性质 锂离子电池的工作原理与组装技术 正极材料 负极材料 电解质 电极材料研究方法 锂离子电池应用与展望,锂离子电池电解液,液体电解质,固体电解质,溶盐（E1A1CL4或Me）电解质,无机液体电解质,有机液体电解质,无机固体电解质,有机固体电

18、解质,纯固体聚合物电解质,凝胶聚合物电解质,锂元素的物理、化学性质 锂离子电池的工作原理与组装技术 正极材料 负极材料 电解质 电极材料研究方法 锂离子电池应用与展望,研究方法简介,锂离子扩散,红外光谱研究,电化学阻抗技术,拉曼光谱研究,热力学函数与电池电动势,X射线及其基本性质,锂元素的物理、化学性质 锂离子电池的工作原理与组装技术 正极材料 负极材料 电解质 电极材料研究方法 锂离子电池应用与展望,锂离子电池应用： 1.电子产品方面的应用 2.交通工具方面的应用 3.在国防军事方面的应用 4.在航空航天方面的应用 5.在储能方面的应用 6.在其他方面的应用,电子产品,交通工具,交通工具,交通工具,展望,低成本,高性能,大功率,高安全、绿环境,锂离子电池会是市场前景最好，发展最快的二次电池，将取代其他铅酸，Ni/MH电池，继续扩大其市场领域。 锂离子电池已经创造了辉煌，而未来必将有更大的辉煌,