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1、光催化半導體材料納米氧化物 在生物傳感器中的應用,孫雯 ,目錄,半導體材料光催化性能簡介 金屬氧化物納米材料在生物傳感上的應用 總結與展望,1.1半導體光催化背景,通過利用可再生能源和新型環境友好型功能材料來治理或修復生態環境和制備清潔能源，并在最大限度上提高新型環境友好型功能材料的使用效率是21世紀環境及能源領域的重要目標之一。半導體光催化技術以其室溫深度反應和可直接利用太陽能作為能源來驅動反應等獨特性能，在此領域中發揮出重要作用。 其一，光催化材料可將低能量密度的太陽能轉化為能量密度較高的化學能(光催化分解水制氫氣、還原二氧化碳制備有機物)或電能(染料敏化太陽能電池及光
2、伏材料)，其二，半導體光催化材料可利用太陽能降解氣相中或者液相中的有毒有害環境污染物。 1972年，日本科學家藤島(A. Fujishima)和本多(K. Honda)發現在紫外光照射下，TiO2電極能使水在常溫常壓下分解為氫氣和氧氣。以此為契機，開始了多相催化研究的新紀元。目前，半導體光催化技術已在環境保護、光分解水制氫以及光催化滅菌等領域顯示出廣闊的應用前景。,1.2 半導體光催化反應原理,根據以能帶為基礎的電子理論，半導體的基本能帶結構是：存在一些列的滿帶，在最上面的滿帶稱為價帶（Valence band, VB）;存在一系列的空帶 ，在最下面的空帶稱為導帶（Conduction ban
3、d, CB）.價帶和導帶之間稱為禁帶。當用能量大于或等于禁帶寬度（Eg）的光輻射半導體時，半導體價帶上的電子可以被激發躍遷到導帶上面，同時在價帶上面產生相應的空穴，于是便在半導體內部生成了光生電子（e-）-光生空穴（h+）對。,半導體分類,載流子：指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，半導體中有兩種載流子即電子和空穴。 半導體在一定溫度下，電子 - 空穴對的產生和復合同時存在并達到動態平衡，有一定的載流子濃度，從而具有一定的電導率，叫做本征半導體。本征半導體經過摻雜就形成雜質半導體，可分為N型半導體和P型半導體。在P型半導體中空穴是多數載流子，電子是少數載流子。在N型半導體中電子是多數載流子，空
4、穴是少數載流子。,光催化機理,由于半導體能帶的不連續性，電子與空穴的壽命較長，在電場的作用下，電子與空穴發生分離，并隨之遷移到半導體表面的不同位置。他們能夠在電場作用下或通過擴散的方式運動，與吸附在半導體催化劑表面上的物質發生氧化或還原反應，或者被表面晶格缺陷捕獲，也可能直接發生復合。 光生空穴能夠與吸附在半導體表面的H2O發生作用生成羥基自由基（OH）. OH是一種活性更高的氧化物種，能夠氧化多種有機物并使之礦化。同時，光生電子也能夠與O2發生作用生成HO和O2-等活性氧類，這些活性氧物種將直接參與到有機物的氧化還原反應過程當中，從而誘發反應物發生光催化氧化還原反應。,半導體光催化反應基本原
5、理,1.3 當前存在的問題與現有解決方法,研究最多的半導體光催化材料主要是金屬氧化物和硫化物，如TiO2，WO3，Fe2O3，ZnO，CdS等 。以TiO2為代表的一系列半導體光催化劑禁帶寬度較大，僅對波長小于400 nm的紫外光響應，而此波段光在太陽光總能量中所占比例僅不足5 %，這極大限制了這種材料的應用范圍。光響應范圍比較窄，量子效率比較低。其光催化性能需要進一步改善和增強，從而滿足廣泛的實際應用和商業利益的需求。 因此，提高多組分復合光催化劑的光催化效率與量子產率又是一大難題。設計與開發具有可見光響應的光催化劑來提高太陽能利用率，是最終實現產業化應用的關鍵。,光催化劑改性研究,貴金屬負
6、載型光催化劑 復合型半導體光催化劑 離子摻雜型光催化劑 表面敏化 新型高效納米光催化劑的研制,2.1 納米技術簡介,廣義上的納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm) 或由它們作為基本單元構成的材料。 納米材料特殊結構決定了其理化性質既不同于微觀的分子和原子，也不同于宏觀的本體物質，存在表面效應、體積效應、量子效應和宏觀量子隧道效應等四大突出效應。在催化、光學、磁學、電學、熱學和力學等方面表現出很多特性能，并且已經在很多行業得到了很好的應用。 若材料有i維處于納米尺度范圍，稱此材料為3-i 維納米材料。有零維、一維、二維和三維的納米材料。,2.2 納米半導體金屬氧化物
7、在生物傳感器上的應用,光電化學生物傳感器是基于物質的光電轉換特性確定待測物濃度的一類檢測裝置。具有光電化學活性的物質受光激發后發生電荷分離或電荷傳遞過程, 從而形成光電壓或者光電流，待測物與光電化學活性物質之間的物理、化學相互作用產生的光電流或光電壓的變化與待測物的濃度間的關系, 是傳感器定量檢測的基礎。 光電化學傳感通過光激發和電檢測的手段，實現激發源和檢測信號分離，而通過光信號與生物物質的相互作用定量生物物質濃度則可以有效提高靈敏度，實現痕量檢測。 目前，納米結構光電極主要有：納米顆粒組成的光電極，此薄膜電極具有大的比表面積，便于生物固定化；核殼結構構建的光電極；一維納米結構構建的光電極，
8、一維納米結構可以提供更快的電子傳輸，減少光生載流子的復合；三維納米結構構建的光電極，三維納米結構可以提供大的比表面積，更有效的光捕獲和載流子傳輸，以及對生物活性物質活性的保持。,納米棒,例如，Liu 課題組制備的基于ZnO 納米棒的第三代安培型葡萄糖傳感器，固定于ZnO 納米棒的葡萄糖氧化酶表現出很高的催化活性，構建的傳感器在一個很寬的線性范圍內具有高靈敏度和良好的選擇性。,基于葡萄糖氧化酶修飾的 ZnO 納米棒陣列構建的第三代安培型葡萄糖傳感器,納米線,Li 課題組以熱蒸發的方法制備了 Sb 摻的 SnO2納米線，然后修飾辣根過氧化物酶構建過氧化氫生物傳感器。納米線表現出優異的電子傳輸能力和
9、對過氧化氫的高的電活性，由其構建的生物傳感器表現出高靈敏度、寬線性范圍和長期穩定性。,Sb 摻 SnO2納米線,納米管,納米管可以認為中空的納米線，因此，它除了具備納米線的優異特性外，納米管狀結構將具有更大的比表面積，更有利于生物分子的固定及其活性的保持。 Kong 課題組通過電沉積的方式在金電極上沉積 ZnO 納米線陣列，然后通過化學腐蝕的方法形成納米管陣列，然后以交聯的方式將葡萄糖氧化酶固定到納米管陣列，構建葡萄糖生物傳感器。傳感器表現出對葡萄糖快速的響應，與基于納米棒和平面結構的生物傳感器相比，該傳感器顯現出更寬的線性范圍和更高的靈敏度。,ZnO 納米管陣列,三維金屬氧化物電極,一維納米
10、結構的另外一個重要的應用就是作為基本的單元構建三維網絡結構，在此基礎上，將三維網絡轉移至導電襯底上，便可以構建三維多孔電極。 三維多孔電極，就是構建電極的薄膜存在眾多的孔道，由此表現出了超大的比表面積和短的離子擴散長度。如圖 所示，Wang 課題組通過電化學沉積的方法在泡沫鎳上沉積三維多孔Co3O4薄膜，并應用于鋰離子電池中，表現出比 Co3O4箔陽極更優越的充放電能力。,三維多孔 Co3O4薄膜,展望,通過半導體光敏材料有望將光學系統與各類生物傳感器結合, 從而開發出更多的光電化學型半導體生物傳感器,。今后, 對光電化學型半導體生物傳感器的研究可從以下幾個方面開展: (1) 開發新材料。功能材料是發展傳感器技術的重要基礎, 隨著材料科學的發展, 人們可以通過控制材料成分來設計制造出適用于不同用途的傳感器敏感材料。 (2) 采用新工藝。先進的納米技術、化學/光學成像技術、溶膠-凝膠技術、微電子技術和計算機信息處理等技術的引入有助于制造出綜合性能穩定、可靠性高、體積小、重量輕的敏感元件。 (3) 研究新方法和新體系。提高靈敏度、穩定性、選擇性, 降低成本, 實現超微量檢測, 擴大應用范圍。,謝謝！,
* 1 * * * 1 * * * 1 * 摩擦副就是相接觸的兩個物體產生摩擦而組成的一個摩擦體系。摩擦副是端面密封最重要的元件,該元件的工作是兩個零件的相對滑動。 * * 1 * * * * 應用 納米電子材料 納米光電子材料 納米生物醫學材料 納米敏感材料 納米儲能材料 * * （三） 納米生物材料的制備 納米顆粒的作用受其尺寸、形貌和結構的影響。不是所有納米尺寸的顆粒都能起作用，納米顆粒的尺寸也不是越小越好；特定的技術領域需要特定尺寸、大小均一的納米顆粒才能發揮最佳效果。 固相法 反應物的聚合狀態 液相法 氣相法 * * （四）納米生物醫用材料及其應用 1.細胞分離用納米材料 利用納米復合粒子性能穩定、不與膠體溶液反應且易實現與細胞分離等特點,可將納米粒子應用于診療中進行細胞分離。 * * 美國科學家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的血樣中極少量的胎兒細胞分離出來,并能準確地判斷是否有遺傳缺陷；挪威工科大學的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中腫瘤細胞的分離；利用納米微粒進行細胞分離技術很可能在腫瘤早期從血液中檢查出癌細胞，實現癌癥的早期診斷和治療。 * * 利用不同抗體對細胞內各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類，將納米金粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復合物。 2.用于細胞內部染色的納米材料 * * 借助復合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的復合物,在白光或單色光照射下呈現某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標簽,因而為提高細胞內組織的分辨率提供了一種急需的染色技術。 * * 應用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形狀可以改變納米顆粒的光散射性質。以此為基礎可制備多種顏色的納米顆粒標簽。改變納米顆粒的形狀不僅可以改變其光散射特征，還可以改變其他特征如產生諧波等。 例如：球形納米銀顆粒不散射紅光，而棱柱形納米銀顆粒卻呈紅色。 * * * * 這些不同顏色的納米顆粒標簽表面包被細胞特異性抗體/配體后，可進行組織/細胞染色或標記、疾病的診斷及示蹤技術。 * * 3. 納米藥物控釋材料 納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細胞吸收、可通過人體最小的毛細血管、甚至可通過血腦屏障等特性, 而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實現口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑。 * * 4. 納米抗菌材料及創傷敷料 利用Ａｇ+可使細胞膜上的蛋白失活, 從而殺死細菌。 利用該類材料的光催化作用, 與Ｈ2Ｏ反應生成具強氧化性的羥基以殺死病菌 ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料 Ａｇ+系抗菌材料: * * 5.納米顆粒中藥及保健品 納米級中藥粒子 ——可溶于水, 有效提高藥物利用率 ——口服膠囊、口服液或膏藥 納米膠囊或納米粒子懸浮液保健品 —— ↓毒性，↑活性（硒旺膠囊 ） * * 6. 納米醫用陶瓷 納米陶瓷在人工骨、人工關節、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修復體等人工器官制造及臨床應用領域有廣闊的應用前景。 納米級羥基磷灰石復合材料 聚酰胺/納米HA晶體生物活性材料 ZrO2 的納米羥基磷灰石復合材料 納米TiO2 /聚合物復合材料 * * 7.納米生物活性材料 鈣鹽納米ＳｉＯ2/聚合物復合材料 : 在人體液中放置1周后, 可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成。 含鈦硅的納米復合材料 ：具有優良的透光率、氧氣透過率和吸濕性, 是理想的隱形眼鏡材料。 * * 聚氨酯材料 ：因其良好的生物相容性和優異的力學性能常用來制作血管移植物、介入導管、心臟輔助循環體系及人工心臟等。 納米微孔ＳｉＯ2玻璃 ：可用作微孔反應器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥物控釋體系的載體等。 * * 在血管中運動的納米機器人，使用納米切割機和真空吸塵器來清除血管中的沉積物。 納米機器人消滅癌細胞虛擬圖 未來應用 * * 三.納米生物傳感器 納米生物傳感器是納米技術與生物傳感器的融合，其研究領域涉及到生物技術、信息技術、納米科學、界面科學等多個重要領域。 * * * * * * * * Company Logo 碳納米管在納米生物傳感器中的應用 碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一種由碳六元環構成的類石墨平面卷曲而成的納米級中空管。 CNTs具有良好的導電性、催化活性和較大
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1、納米傳感器研究進展THE RESEARCH PROGRESS OF NANOSENSORS,主講人：張書豪 指導老師：金星龍,納米技術和傳感技術的結合,當今納米技術的發展，不僅為傳感器提供了良好的敏感材料，例如納米粒子、納米管、納米線、納米薄膜等，而且為傳感器制作提供了許多新穎的構思和方法，例如納米技術中的關鍵技術STM，研究對象向納米尺度過渡的MEMS技術等。 與傳統的傳感器相比，納米傳感器尺寸減小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用納米技術制作傳感器，是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應用領域,納米傳感器的分類,按照納米材料結構 一、
2、納米化學和生物傳感器； 二、納米氣敏傳感器； 三、其他類型的納米傳感器（壓力、溫度和流量等）；,一、納米生物傳感器的分類,按照納米材料結構 納米粒子； 納米線； 納米微管和多孔納米結構； 光纖納米生物傳感器； 納米級微加工。,納米技術引入化學和生物傳感器領域后,提高了化學和生物傳感器的檢測性能,并促發了新型的化學和生物傳感器。因為具有了亞微米的尺寸、換能器、探針或者納米微系統,該種傳感器的化學和物理性質和其對生物分子或細胞的檢測靈敏度大幅提高,檢測的反應時間也得以縮短,并且可以實現高通量的實時檢測分析,1、納米粒子,將功能性納米顆粒（電學性、光學性和磁性） 固定在生物大分子（多肽、蛋白和核酸）
3、上 聲波生物傳感器,納米膠體修飾檢測分子引起石英晶體微天平的頻率改變的檢測原理示意圖,光學生物傳感器 光共振 固定納米金屬顆粒引起反射光的共振加強 熒光標記定位腫瘤 熒光湮滅基團,金納米顆粒用于通用的熒光湮滅物的示意圖,磁性生物傳感器 磁性材料標記生物分子 結合分子識別 磁場分離和檢測 電化學生物傳感器 生物標記 膠體金 生物分子固定 硅納米顆粒 催化劑載體 金屬納米顆粒,FETs類型 半導體電子器件 易于集成 直接電信號輸出 免標記 超高的靈敏度 接近單分子水平 應用于檢測蛋白質和DNA，A型流感病毒檢測限達到10-18M,2、納米線,Patolsky F., Lieber C.M., Ma
4、terials Today 2005,8:20-28,3、納米微管和多孔納米結構,單壁碳納米管 多壁碳納米管 比表面積大； 活性位點多； 促進生物分子的電子傳遞作用 ； 增加固定化生物分子的總量和生物活性,SWNT表面固定葡萄糖氧化酶，酶的催化活性比普通碳電極高一個數量級； 基于碳納米管的電致化學發光生物傳感器 檢測 -胎蛋白 碳納米管陣列生物傳感器 鉑襯底上生長NWNT,作為電流計生物傳感器,Wohlstadter J.N.,et.al. Adv.Mater.,2003,15:1184-1187,Sotiropoulou S.,et.al.,Biosens.Bioelectron.,2003
5、,18:211-215,納米多孔硅 單晶硅進行電化學腐蝕； 室溫下發射可見光； 高比表面積500m2/cm3； 與現有硅加工技術相容。 表面固定寡核苷酸、生物素或抗體等識別分子，檢測光干涉和折射率的變化。,Lin V S, Motesharei K, Dancil K S, et al.Science,1997,278:840-843,4、光纖納米生物傳感器,體積微小 靈敏度高 不受電磁場干擾，不需要參比器件 插入細胞內部，單細胞在線測量,拉制光纖末梢，并包上鋁衣或銀皮表面抗體修飾放在倒置顯微鏡的微定位系統中,進行細胞穿刺和檢測，PMT記錄產生的熒光 BPT苯并吡四醇 最低檢出限10-21mo
6、l,單細胞BPT含量檢測的納米光纖傳感器,Dinh T V, Alarie J P, Cullum B M, et al., National Biotechnology,2000,18:764-767,5、納米微加工技術,集成電路制造工藝和方法 光刻 薄膜生長/沉積 離子注入 腐蝕和鍵合 Nano-electromechanical system (NEMS),納米微懸臂梁陣列生物傳感器,納米微懸臂梁陣列生物傳感器的掃描電鏡圖,表面固定具有不同識別性的分子，構成陣列式傳感器,McKendry R, Zhang J, et al, Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 9
7、9: ,磁力放大懸臂梁生物傳感器,細胞、蛋白質、毒素和DNA 檢測靈敏度可達10-18M,baselt D.R.,Lee G.U.,Colton R.J.,J.Vac.Sci.Technol.B,1996,14:789-793,磁力放大懸臂梁生物傳感器的結構示意圖,納米生物傳感器的研究進展,美國Rice大學的納米光學實驗室將一種被稱為“納米星 ”的微小黃金顆粒制成有效的化學感應器。“納米星 ”匯集現在正研究的光子顆粒的最好性質,其表面的每一個顆粒都有著唯一的光譜信號,初步的測試表明這些信號可以用來確定納米星的三維方向,為開展三維分子檢測工作打下堅實的基礎。 美國耶魯大學用傳統方
8、法研制出一種簡易而敏感的硅材料納米生物傳感器,這在理論上使納米傳感器可以大量生產。在抗體或者其它生物分子上覆蓋了一層直徑為30nm的納米線,使其能夠捕獲特定種類的蛋白質。,中科院上海應用物理所研制出一種新型的電化學DNA納米生物傳感器,其特色是通過對電極界面納米尺度的精細調控,同時引入金納米粒子進行電化學信號放大,從而顯著提高了DNA檢測的靈敏度。 揚州大學的納米CaCO3固定生物分子制備生物傳感器的方法,屬于以無機材料納米CaCO3為載體固定蛋白質等生物分子制備生物傳感器的方法。制備出的生物傳感器穩定性好、靈敏度高、重現性好,而所需的生物分子的量少。,二、納米氣敏傳感器,氣敏傳感器上和敏感氣
9、體接觸的表面附著了一層納米涂層作為敏感材料，用于改善傳感器的靈敏度和性能。 用零維的金屬氧化物半導體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等都可以作為敏感材料構成氣敏傳感器。,納米氣敏傳感器的研究中,主要方向之一是在氣體環境中依靠敏感材料的電導發生變化來制作氣敏傳感器。在這些納米敏感材料中加入貴重金屬納米顆粒 (例如Pt和Pd) ,大大增強了選擇性,提高了靈敏度,降低了工作溫度。 納米氣體傳感器另一個主要方向是用多壁納米管制作氣敏傳感器用多壁碳納米管制作氣敏傳感器。碳納米管自1991年被發現以來,其獨特的性質及制備工藝得到了廣泛的研究,而多壁碳納米管具有一定的吸附特性,由于吸附的氣體分子與碳納米管發
10、生相互作用,改變其費米能級引起其宏觀電阻發生較大改變,通過檢測其電阻變化來檢測氣體成分,可用作氣敏傳感器。,納米氣敏傳感器的研究進展,美國研究人員研制的“納米傳感器 ”能夠監測太空飛船中的微量氣體。該納米傳感器由感應材料的微小的碳納米管構成,能夠在太空環境和發射時的劇烈振動和重力不斷變化中完好保存下來,能探測到每一種科學家所期望探測到的化學物質。當微小的化學物質接觸到感應材料后，它將引起某種化學反應,導致流經傳感器的電流放大或縮小。 美國加利福尼亞大學研制成功了一種能夠自動鑒定氣體成份的“電子鼻 ”。其安裝了由只有2mm2的傳感芯片,芯片上集成的傳感器有大量碳納米管組成,能夠捕捉到化驗對象中的
11、各種氣體分子。而傳感器獲得的有關被測氣體的信息將傳遞給計算機進行分析,從而得出氣體的具體成份,可投入批量生產且價格便宜。,三、其他類型納米傳感器,（1）電阻應變式納米壓力傳感器,這種電阻應變式納米膜壓力傳感器,測量精度和靈敏度高、體積小、重量輕、安裝維護方便,可穩定和可靠的測量壓力參數 （2）利用一些納米材料的巨磁阻效應,已經研制出了各種納米磁敏傳感器 （3）在光纖傳感器基礎上發展起來的納米光纖生物傳感器,不但具有光纖傳感器的優點,而且由于這種傳感器的尺寸只取決于探針的大小,大大減小了測微傳感器的體積,響應時間大大縮短,滿足了測量要求實現的微創實時動態測量。,其他類型納米傳感器研究進展,美國近年在納米基礎研究涉及到納米傳感器的研究成果主要有:發現碳納米管理想的吸收與發散光波特性,可望使單分子傳感器變成現實;利用自行組裝的DNA分子作為建筑材料,建造了支撐蛋白質的納米級腳手架和金屬線,直徑只有數10-10m ,這是在納米級合成方面取得的重要成就,可能由此開發可編程的分子級傳感器;在世界上首次得到具有壓電效應的半導體納米帶結構 實現納米尺度上機電耦合的關鍵材料,可用來設計研制各種納米傳感器。,四、納米傳感器在未來的應用,在醫療、生物領域的應用 在微電子及信息技術領域的應用 在國防科技上的應用,THE END,謝謝 ，敬請斧正。,
光催化半導體材料納米氧化物 在生物傳感器中的應用 孫雯 目錄 半導體材料光催化性能簡介 金屬氧化物納米材料在生物傳感上的應用 總結與展望 1.1半導體光催化背景 通過利用可再生能源和新型環境友好型功能材料來治理或修復生態環境和制備清潔能源，并在最大限度上提高新型環境友好型功能材料的使用效率是21世紀環境及能源領域的重要目標之一。半導體光催化技術以其室溫深度反應和可直接利用太陽能作為能源來驅動反應等獨特性能，在此領域中發揮出重要作用。 其一，光催化材料可將低能量密度的太陽能轉化為能量密度較高的化學能(光催化分解水制氫氣、還原二氧化碳制備有機物)或電能(染料敏化太陽能電池及光伏材料)，其二，半導體光催化材料可利用太陽能降解氣相中或者液相中的有毒有害環境污染物。 1972年，日本科學家藤島(A. Fujishima)和本多(K. Honda)發現在紫外光照射下，TiO2電極能使水在常溫常壓下分解為氫氣和氧氣。以此為契機，開始了多相催化研究的新紀元。目前，半導體光催化技術已在環境保護、光分解水制氫以及光催化滅菌等領域顯示出廣闊的應用前景。 1.2 半導體光催化反應原理 根據以能帶為基礎的電子理論，半導體的基本能帶結構是：存在一些列的滿帶，在最上面的滿帶稱為價帶（Valence band, VB）;存在一系列的空帶 ，在最下面的空帶稱為導帶（Conduction band, CB）.價帶和導帶之間稱為禁帶。當用能量大于或等于禁帶寬度（Eg）的光輻射半導體時，半導體價帶上的電子可以被激發躍遷到導帶上面，同時在價帶上面產生相應的空穴，于是便在半導體內部生成了光生電子（e-）-光生空穴（h+）對。 半導體分類 載流子：指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，半導體中有兩種載流子即電子和空穴。 半導體在一定溫度下，電子 - 空穴對的產生和復合同時存在并達到動態平衡，有一定的載流子濃度，從而具有一定的電導率，叫做本征半導體。本征半導體經過摻雜就形成雜質半導體，可分為N型半導體和P型半導體。在P型半導體中空穴是多數載流子，電子是少數載流子。在N型半導體中電子是多數載流子，空穴是少數載流子。 光催化機理 由于半導體能帶的不連續性，電子與空穴的壽命較長，在電場的作用下，電子與空穴發生分離，并隨之遷移到半導體表面的不同位置。他們能夠在電場作用下或通過擴散的方式運動，與吸附在半導體催化劑表面上的物質發生氧化或還原反應，或者被表面晶格缺陷捕獲，也可能直接發生復合。 光生空穴能夠與吸附在半導體表面的H2O發生作用生成羥基自由基（OH·）. OH·是一種活性更高的氧化物種，能夠氧化多種有機物并使之礦化。同時，光生電子也能夠與O2發生作用生成HO·和O2-·等活性氧類，這些活性氧物種將直接參與到有機物的氧化還原反應過程當中，從而誘發反應物發生光催化氧化還原反應。 1.3 當前存在的問題與現有解決方法 研究最多的半導體光催化材料主要是金屬氧化物和硫化物，如TiO2，WO3，Fe2O3，ZnO，CdS等 。以TiO2為代表的一系列半導體光催化劑禁帶寬度較大，僅對波長小于400 nm的紫外光響應，而此波段光在太陽光總能量中所占比例僅不足5 %，這極大限制了這種材料的應用范圍。光響應范圍比較窄，量子效率比較低。其光催化性能需要進一步改善和增強，從而滿足廣泛的實際應用和商業利益的需求。 因此，提高多組分復合光催化劑的光催化效率與量子產率又是一大難題。設計與開發具有可見光響應的光催化劑來提高太陽能利用率，是最終實現產業化應用的關鍵。 光催化劑改性研究 貴金屬負載型光催化劑 復合型半導體光催化劑 離子摻雜型光催化劑 表面敏化 新型高效納米光催化劑的研制 2.1 納米技術簡介 廣義上的納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm) 或由它們作為基本單元構成的材料。 納米材料特殊結構決定了其理化性質既不同于微觀的分子和原子，也不同于宏觀的本體物質，存在表面效應、體積效應、量子效應和宏觀量子隧道效應等四大突出效應。在催化、光學、磁學、電學、熱學和力學等方面表現出很多特性能，并且已經在很多行業得到了很好的應用。 若材料有i
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