近年來，半導體光催化技術在環(huán)境凈化、CO2還原及有機合成化學等領域發(fā)揮了重要作用，利用光生電子及半導體表面結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)特定的氧化還原反應。本書不僅重點分類闡述半導體光催化前沿研究方向，而且重視半導體基礎物理、化學及表面結(jié)構(gòu)等基礎內(nèi)容。
本書前3章重點介紹了半導體物理、化學及表面結(jié)構(gòu)的基礎內(nèi)容，這些為從基礎物理和化學的角度理解和優(yōu)化相關能源和催化科學中“卡脖子”及核心問題提供了重要基礎。接著本書結(jié)合前沿研究方向重點闡述和總結(jié)了半導體光催化在材料調(diào)控方面的策略和設計。第4章主要闡述半導體光催化分解水，第5章主要闡述半導體光催化在水體凈化方面的前沿研究。第6章重點介紹半導體光催化在CO2還原及綜合利用方面的研究，表明半導體光催化在“雙碳”領域的應用潛力。第7章主要介紹半導體光催化在精細化工、藥物合成及有機合成領域的重要應用，展示了半導體光催化在有機小分子轉(zhuǎn)化方面的特殊能力。第8章重點介紹密度泛函理論在半導體光催化中發(fā)揮的作用，此外還有人工智能及機器學習等新理論手段在此領域下的發(fā)展前景。
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重慶市技術創(chuàng)新與應用示范項目1項、重慶市教委自然科學基金3項
目錄
前言
第1章 半導體光催化基礎 1
1.1 半導體光催化概述 1
1.2 半導體晶體學基礎 3
1.2.1 晶體基本概念 3
1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)缺陷與表面特征 3
1.2.3 常見的半導體晶體結(jié)構(gòu) 4
1.3 半導體電子性質(zhì) 5
1.3.1 能帶理論 5
1.3.2 帶邊位置 7
1.3.3 空間電荷區(qū) 9
1.4 半導體光學性質(zhì) 11
1.4.1 半導體的光吸收 11
1.4.2 光子激發(fā)與電荷遷移 12
1.4.3 半導體發(fā)光 18
第2章 半導體光催化策略與表征方法 20
2.1 光催化策略 20
2.1.1 摻雜與能級工程 20
2.1.2 異質(zhì)結(jié) 26
2.1.3 貴金屬負載與表面等離子體共振 28
2.1.4 染料敏化 29
2.1.5 晶面工程 30
2.1.6 表面修飾 32
2.1.7 物理場 34
2.1.8 新材料設計 50
2.2 光催化表征方法 57
2.2.1 光吸收的表征 57
2.2.2 光生載流子分離的表征 59
2.2.3 表面吸附及光催化中的自由基表征 61
第3章 半導體光催化劑的合成 65
3.1 固態(tài)反應 65
3.1.1 室溫固相球磨 65
3.1.2 高溫固相法 66
3.2 水熱合成方法 68
3.3 溶膠－凝膠合成方法 70
參考文獻 71
第4章 半導體光催化分解水 73
4.1 半導體光催化分解水概述 73
4.1.1 光催化分解水原理 73
4.1.2 光催化分解水反應速率 75
4.2 分解水光催化劑的重要體系 75
4.2.1 金屬氧化物 79
4.2.2 硫化物 83
4.2.3 二維異質(zhì)結(jié) 85
4.2.4 硼酸鹽體系 86
4.2.5 MOF結(jié)構(gòu) 89
4.3 光催化分解水制氫 90
4.3.1 光催化分解水制氫的發(fā)展歷程 92
4.3.2 光催化分解水制氫的基本原理 93
4.3.3 光催化水分解反應的熱力學 94
4.3.4 光催化水分解反應的動力學 95
4.3.5 光催化分解水制氫材料 97
參考文獻 103
第5章 半導體光催化水處理 110
5.1 半導體光催化水處理概述 110
5.1.1 光催化機理 111
5.1.2 各種光催化劑及其應用 112
5.2 水處理光催化劑的重要體系 121
5.2.1 金屬氧化物 121
5.2.2 Bi基材料 123
5.2.3 有機半導體 126
5.2.4 硫化物 152
5.2.5 二維異質(zhì)結(jié) 166
5.2.6 硼酸鹽體系 174
5.3 過硫酸鹽輔助的光催化體系 183
5.3.1 PPOH體系 185
5.3.2 PPA、 PAP和 CPPA系統(tǒng)的比較 196
參考文獻 198
第6章 半導體光催化CO2還原 202
6.1 CO2還原的基本原理 202
6.2 CO2光還原催化劑體系 202
6.2.1 光催化體系 202
6.2.2 光電催化體系 205
6.2.3 光熱催化體系 205
6.2.4 金屬氧化物 206
6.2.5 硫化物 206
6.2.6 有機半導體 210
6.2.7 異質(zhì)結(jié) 211
6.2.8 等離子體共振 212
6.3 光催化CO2參與下的有機合成反應 216
6.3.1 異相光催化CO2還原與有機反應相結(jié)合的機理和優(yōu)勢 217
6.3.2 光催化CO2嵌入有機反應中 220
6.3.3 CO2還原與有機選擇性氧化合成反應的耦合 225
參考文獻 225
第7章 半導體光催化有機合成 228
7.1 醇的氧化 228
7.1.1 制備醛酮 228
7.1.2 制備含C-C或者C-O化合物 231
7.1.3 二元醇的脫氫酯化 234
7.1.4 硫醇的脫氫氧化 235
7.2 環(huán)烴的脫氫反應 236
7.2.1 環(huán)己烷制取苯 236
7.2.2 N雜環(huán)的脫氫 237
7.3 烷烴 [C(sp3)-H] 氧化制備醛酮 239
7.4 胺類的氧化偶聯(lián) 241
7.5 氧化交叉偶聯(lián)反應 244
7.5.1 苯和環(huán)己烷的交叉偶聯(lián)反應 244
7.5.2 甲苯和丙酮的交叉偶聯(lián)反應 245
7.5.3 醚與苯的交叉偶聯(lián)反應 246
7.5.4 醇與胺的交叉偶聯(lián)反應 248
7.6 生物質(zhì)資源的光催化反應 250
7.7 藥物合成中的光催化反應 252
參考文獻 255
第8章 半導體理論計算與光催化 257
8.1 光吸收的調(diào)控 257
8.1.1 離子摻雜改性 257
8.1.2 新材料的設計 258
8.2 載流子分離動力學過程 260
8.2.1 軌道、 帶邊與有效質(zhì)量 260
8.2.2 非絕熱分子動力學 261
8.3 表面催化過程 262
8.4 人工智能與光催化 263
8.4.1 機器學習簡介 263
8.4.2 機器學習與光催化劑設計 265
參考文獻 266
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