光催化与静电纺丝ppt..43页PPT

此时吸附在纳米颗 粒表面的溶解氧俘 获电子形成超氧负 离子,而空穴将吸附 在催化剂表面的氢 氧根离子和水氧化 成氢氧自由基。
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第三步
超氧负离子和氢 氧自由基具有很 强的氧化性,能将 绝大多数的有机 物氧化至最终产 物CO2和H2O,甚 至对一些无机物 也能彻底分解。
化学与药学院.
二氧化钛的光催化原理
半导体的光吸收阈值与带隙的关系：
K=1240/Eg(eV)
因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。
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化学与药学院.
光催化原理
第一步
当光子能量高于半 导体吸收阈值的光 照射半导体时,半导 体的价带电子发生 带间跃迁,即从价带 跃迁到导带,从而产 生光生电子(e-)和 空穴(h+)。
第二步
E=hC/λ 所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。
❖有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳 米光触媒采用锐钛型的原因。
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化学与药学院.
光催化应用技术
❖ 光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有 的氧化还原能力而净化污染物。
❖ 光催化净化技术的特点：半导体光催化剂化学性质稳
光催化的基本知识
化学与药学院 马永超
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主要内容
光催化剂的定义 光催化起源
光催化材料 光催化的原理 光催化的应用
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催化剂是加速化学反应速率的化学物质， 其本身并不参与反应。
光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的 化学物质的统称。
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化学与药学院.
光催化 剂
状态 液体催化剂 固体催化剂
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反应体系的相态
普通的二氧化钛一般称为体相半导体，这是与纳米二氧化钛 相区别的。

于O2/H2O的氧化还原电位，可以氧化水释放出氧气，还原 性半导体的导带边高于H2/H2O的氧化还原电位，还原水释 放氢气，氧化还原型的半导体的导带边高于氧化还原电位， 价带低于氧化还原电位，可同时释放氧气和氢气。
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❖ c.即使同一种催化剂，由于其结构和表面形态不同，其 光催化活性也不同。
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背景、发展
❖ 1967年还是东京大学研究生的藤岛昭教授，在一次试验中对 放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分 解成了氧和氢。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因 此后来将这一现象中 的氧化钛称作光触媒。
❖ 这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机 的背景，这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩 目，但由 于很难在短时间内提取大量的氢气，所以利用于新 能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。
主。多余的电子脱离施主进入导带，使半导体中的 电子数目高于空穴，这类半导体主要靠电子导电， 称为n型半导体。 ❖ 若掺杂原子的电子数较少，则为受主。受主容易将 价带中的电子拉到自己周围，使价带中空穴数量大 于电子，这类半导体称为p型半导体。
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光催化基本理论
❖ 光催化反应机制及过程
（1)光激发过程
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K光吸收波长阈值 当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激 发作用，当用388nm的紫外光照射锐钛型纳米TiO2时，电子才能从 价带激发到导带，形成电子-空穴（e--h+）对，迁移到TiO2表面， 具有了还原、氧化作用。
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❖ b. 半导体在其表面所发生的光致电子转移到吸附物上的能 力，是由半导体导带和价带位置以及吸附物的氧化还原电 位所控制。因此，不同催化剂的光催化活性不同。 如在光催化分解水的反应中，氧化型半导体的价带边低

❖ 知识就是财富 ❖ பைடு நூலகம்富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
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光催化与静电纺丝ppt..
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)

电纺丝的简单介绍
澳歌联合服装有限公司
vv
• 电纺丝(electrospinning)又称静电纺丝 (electrostaticspinning),是一种利用聚合 物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流 进行纺丝加工的工艺。本文对其原理、电 纺丝设备产业化现状进行简单的介绍
vv
• 电纺丝(electrospinning)又称静电纺丝 (electrostaticspinning),是一种利用聚合物溶液或 熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的 工艺。近年来,电纺丝作为一种可制备超精细纤维 的新型加工方法,引起了人们的广泛关注。理论上, 任何可溶解或熔融的高分子材料均可进行电纺丝 加工。目前世界上已成功进行电纺丝加工的聚合 物超过30种,包括DNA、胶原、丝蛋白等天然高分 子,以及聚氧乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚酰亚胺、 尼龙、聚乙烯醇、聚己内酯、聚氨酯等合成高分 子。
维的大规模工业化生产已经开始。
vv
谢谢观赏！
的大型公司和企业约有几 十家,如Elmarco公司、Freudenberg公司、Donalson公司、日 本的株式会社、美国的STARInc.公司和eSpin公司等。我国目 前电纺丝科研技术处于世界先进水平,但一直没有形成规模的 工业生产。其中，永清华源生物材料科技公司生产的HY-1型 静电纺丝设备，在国内和日本加多公司的neu型形成鲜明的对 比。HY-1型电纺丝设备把传统的机械操作分布式功能，利用 数控机械装置集成化实现。在纺丝过程中，通过推注，往复平 移等控制系统对液体流速进行精确控制。实现了真正操作简单、 可重复性、小规模生产批量化的特点。目前，该公司已研制出 了国内首台纳米纤维大型纺丝机-Sining,能生产宽幅为1m的大 面积无纺布,产率约为100m/min。这意味着国内电纺丝纳米纤

纳米纤维
定义：美国国家科学基金会(NSF)定义纳米纤维为至少在一 维空间尺度上小于100 nm 的纤维。无纺布工业一般认为直 径小于1 μm 的纤维就是纳米纤维。
特点：在微观上表现为纳米结构，具有纳米材料具有的一切 特性；而在宏观上表现为网毡结构，可以在重力作用下自然 沉降而分离。
静电纺丝技术
ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 369–377
mesoporous TiO2 nanofibers, solid TiO2 nanofibers, and P25 under different irradiation time. (b) Results of reusability experiments for photocatalytic H2 generation using the present three 静ph电o纺to丝c技a术talysts. (c) Schematic illustration of mesoporous fibers with enhanced photocatalytic activities.
静电纺丝技术
静电纺丝技术
总结：
1.利用静电纺丝技术合成了具有超长结构的纳米纤维。 2.引入发泡剂，得到了具有均一的介孔结构的纳米纤维 ，并证明了其普适性。
静电纺丝技术
Fig.5 Average H2 evolution rates of the as-fabricated mesoporous TiO2 fibers, solid TiO2 fibers and P25.
静电纺丝技术
parison of the related work for photocatalytic H2 production

等多种催化剂，取得了很大进展，紫外光照射纯水的
活性已由最初的几μmol／goh催化剂增大到几百μmol ／goh
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东北大学承担了国家自然科学基金项目“光解水
用掺杂稀土新型TiO2半导体电极的研究”，采用溶胶
－凝胶法、气相沉积法等在电极中添加不同稀土及其
它金属氧化物，利用稀土的催化活性及扩展材料吸光
2021/3/8
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可见光光催化降解有毒有机污染物研究 获重要进展
在国家自然科学基金委，科技部及中科院的支 持下，化学所光化学院重点实验室赵进才研究员 课题组与有机固体院重点实验室帅志刚研究员合 作，在可见光光催化降解有毒有机污染物方面取 得重要进展。研究成果发表在最近一期的 J. Am. Chem. Soc. (2004，126，4782)上。
光催化技术
2021/3/8
宋光辉
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什么是光催化?
概括说来，就是光触媒在外界可见光的作用下 发生催化作用。
光催化一般是多种相态之间的催化反应。 光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照）
下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。
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光合作用也可以看作光催化
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由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因此后 来将这一现象中的氧化钛称作光触媒。 这种现象相当 于将光能转变为化学能。
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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 TiO2的优点：
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光触媒
光触媒[PHOTOCATALYSIS] 是 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。

尽管面临诸多挑战，光催化材料的发展仍充满机遇。随着人们对环境保护和能源需求的日益重视，光催化技术在水体净化、 空气净化、太阳能转化等领域的应用前景广阔。同时，随着技术的不断进步和应用范围的扩大，光催化材料将有望成为未来 绿色能源和环境治理领域的重要支撑技术之一。
THANKS
感谢观看
• 光催化材料的发展也将更加注重环保和可持续发展。在材料的制备和应用过程 中，将更加注重资源的节约和环境的保护，同时推动光催化技术的绿色化和产 业化发展。
光催化材料面临的挑战与机遇
光催化材料在实际应用中仍面临一些挑战，如光催化反应的效率、反应动力学和稳定性等问题。此外，光催化材料的回收和 再利用也是需要解决的重要问题。
光催化材料等。
04
光催化材料的应用实例
光催化水处理
01
去除有害物质
光催化材料能够利用光能将水中的有害物质，如重金属离子、有机污染
物等，进行氧化或还原反应，将其转化为无害或低毒性的物质，从而达
到净化水质的目的。
02
杀菌消毒
光催化材料在光照条件下能够产生具有强氧化性的自由基，这些自由基
能够破坏细菌和病毒的细胞膜结构，从而杀死细菌和病毒，起到杀菌消
光谱响应范围
描述光催化材料能够吸收的光的 波长范围。一些材料主要吸收紫 外光，而另一些则能吸收可见光 或红外光。
光吸收效率
衡量材料在特定波长下吸收光的 程度。高吸收效率意味着材料能 更有效地利用光能。
化学性质
稳定性
指光催化材料在化学环境中保持其结 构和性能的能力。
氧化还原能力
指材料在光催化反应中的氧化或还原 能力，影响其光催化活性。
• 除了传统的金属氧化物、硫化物、氮化物等材料外，新型复合光催化材料、异 质结构光催化材料等也将成为研究热点。这些新型材料通过结构设计、元素掺 杂、表面改性等方式，能够进一步提高光催化性能和拓宽应用范围。

激发态的导带电子和价带空穴能重新合并，并产生热能或其他形式散 发掉。
第16页，共72页。
光催化的技术特征
1. 低温深度反应 光催化氧化可以在室温下将水、空气和土壤中的有 机污染物氧化。
2. 绿色能源 光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动 氧化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消 耗。从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅 力。
溶胶凝胶法制备TiO2原理
利用溶胶-凝胶法制备TiO2，其反应过程为： 水解： Ti(OR)4 xH2O Ti(OH )x (OR)4x xROH
失水缩聚： （RO）n x Ti(OH ) HO Ti Ti O Ti H 2O
5. 均 匀 沉 淀 法 是 在 溶 液 中 加 入 某 种 物 质 [ 如 二 乙 醇 胺 ， HN(CH2CH2OH)2]，使之通过溶液中的化学反应缓慢生成 沉淀剂制备粒度均匀的TiO2粉体。
第28页，共72页。
粉体TiO2光催化剂的制备方法
3. 水热法
在加有聚四氟乙烯内衬的筒式高压釜中以TiCl4 、偏钛酸或
金红石最稳定，从低温到熔点都不会发生晶相转变；锐钛 矿次之，在室温下稳定；板钛矿很少见。 具有光催化作用的主要是锐钛矿结构和金红石结构，其中 以锐钛矿结构的催化活性最高。 锐钛矿型TiO2吸收小于387nm的光，金红石型TiO2吸收小于
413nm的光。
第22页，共72页。
TiO2光催化材料的特性
合适的半导体禁带宽度。 具有良好的抗光腐蚀性和化学稳定性。
廉价，原料来源丰富，成本低。
光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和 导带之间的能隙大，光生电子的还原性和空 穴的氧化性强）。
对很多有机污染物有较强的吸附作用。

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高压静电纺丝的基本过程
静电纺丝的过程可以简单的描述如下：首先在喷丝口处溶液被拉出表面，沿 着直线运动，当运动到一定位置，进入非稳定阶段，开始成螺旋摆动运动，同时 喷射流被进一步拉伸细化。
1、喷射流初始运动阶段
2、喷射流摆动非稳定阶段
在电场力的作用下，喷丝口处的溶液表面布满阳离子或分子中的缺电子部
• 泰勒锥：随着电场力的增加，液滴逐渐被拉长，当所
施加的电场力的数值与液滴的表面张力相等时，液滴就 形成了顶角为49.3°的圆锥，被命名为“泰勒锥”。
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电喷技术原理的研究历史
1882年 Rayleigh
1915年 Zeleny
1964年 Taylor
研究了到底需 要多少电荷才 能克服液滴的 表面张力使液 滴劈裂的问题， 提出了 “Rayleigh” 极限数值
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2、针头体系。 1）单针头 单针头最常见，根据需要可选择不同型号的针头。
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2）同轴针头 同轴电纺的一个优点在于可以突破单头体系的限制，将一些难以直接电纺 的聚合物通过同轴电纺装置制备纳米纤维。另一个优势是通过将核层选择性移 除，还可以制备中空纳米纤维结构。
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3）并列式针头
并列式针头体系是一种 结构简单却易于实现功能化 纳米纤维制备的喷丝头体系。 它将不同的聚合物溶液通过 紧密靠在一起的并列式针头 同时进行射流激发，在电纺 过程中平行射流融合，得到 多根纤维互相连接的束状单 根纤维，因此特别适合制备 双组份聚合物纤维。
首次在专 利中提出 该技术。 他设计了 一套聚合 物溶液在 强电场下 的喷射进 行纺丝的 加工装置。
专利中叙述 了用静电纺 丝技术制备 超细超轻无 纺布的装置， 且发现粘度 高时，纤维 连续，粘度 低时，纤维 短且细。

3）并列式针头
并列式针头体系是一 种结构简单却易于实现功能 化纳米纤维制备的喷丝头体 系。它将不同的聚合物溶液 通过紧密靠在一起的并列式 针头同时进行射流激发，在 电纺过程中平行射流融合， 得到多根纤维互相连接的束 状单根纤维，因此特别适合 制备双组份聚合物纤维。
并列式针头
4）多针头 在并列式针头装置的基础上，
交流电电纺可显著提高射流鞭动的稳定性，纤维变 粗但有序性增加，同时也可在绝缘的接收装置上有较大的 接收面积。但在纺丝过程中交流电频率不易调整（要考虑 每次的实验条件：温湿度、溶液性质等）。
喷丝头
喷丝头的作用就是在纺丝过程中产生纺丝小液滴，提供射流激发位点。 一般分为无针头和针头两种不同的喷丝体系，其中针头体系根据针头数量和 形式的不同，还可以进一步分为单头、同轴、并列电，电源的两 极分别连接在喷丝头和接收装置。根据电源性质的不同， 可分为直流和交流高压电源两种，都可用于静电纺丝。
直流高压电在电纺过程中通常采用感应充电的方式， 即将直流高压电直接接在喷丝头上，接收装置接地或反之。 电压极性对纺丝过程影响不大，实验室多采用高压正电纺 丝。
进一步增大针头间的距离就发展为 多可针头体系，针头数量从2个到 十几个不等，也称为平行电纺。
多针头纺丝体系
接收装置
接收装置用于收集电纺纤维，常规接受装置主要包括平板、滚筒、间隔收 集装置、转盘、金属丝鼓、凝固浴等；根据电纺丝过程中喷丝头及接收装置之间 是否存在相对运动，又可分为静态接收和动态接收两种接收方式。
1、无针头体系。核心思想就是在自由聚合物溶液表面形成大量射流激发位点。
2、针头体系。 1）单针头 单针头最常见，根据需要可选择不同型号的针头。
2）同轴针头 同轴电纺的一个优点在于可以突破单头体系的限制，将一些难以直接电 纺的聚合物通过同轴电纺装置制备纳米纤维。另一个优势是通过将核层选择性 移除，还可以制备中空纳米纤维结构。

例再：利A用u公负式载1T-1iO估2算紫带外隙可宽见度漫约反为射3吸.1收7e光V。谱（，书经P过45K，-M图公2-示8）转换成吸收光谱，
2.3.2 固体光致发光光谱
电子 跃迁
01 非辐射跃迁
02 辐射跃迁 光致发光
光致发光是指一定波长光照下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光 的微观过程。
B
从绝对电负性进行估 算
C
通过测定平带点位实 验获取
一、通过第一性计算
• 通过第一性原理计算能带位置，即通过实验计算导带和价带相对位置，获得 带隙宽度，价带和导带的组成等相关信息。
• 不同的化合物技术的价带和导带位置不具有可比性。
• 第一性原理：跟计算联系在一起的，是指在进行计算的时候除了告诉程序你 所使用的原子和他们的位置外，没有其它的实验的，经验的或者半经验的参 量。与经验参数相对。
(1-4)
调节外电压，当施加正向偏压时，Vsc增大促进电子和空穴分离；当施加负向偏压，Vsc减小， 使得Vs为零时对应的外加电压值成为平带电压Vfb。
n型：Vfb=Ecs-μ； p型：Vfb=Evs+μ
(1-5)
n型半导体表面导带电位和平带电位差μ；p型半导体表面价带电位和平带电位差μ，μ是一个在
0.1~0.2eV间的数值
Vfb=Ecso-μ+2.3kT(pzc-pH)
(1-6)
pzc表示零电荷点对应的pH值，每变化一个pH单位平带电位变化2.3kT，即
0.059V/pH。
2.5.2 表面光电压谱和电场诱导表面光电压谱
表面光电压谱(SPS)和电场诱导表面光电压谱(EFISPS)是研究固体功能材料表面和界面电荷行为非常有效的方法， 能够反映样品的光化学性能、电子能带和表面态结构。

静电纺丝的应用——高效过滤材料
纳米纤维复合制品具有高孔隙率、高表面能和高比表面积的性能，可大大提高 过滤效率，且由于纳米纤维的直径小、纤维膜轻薄，降低过滤阻力。作为空气过 滤材料，可在制药、实验室、医院、食品、化学及化妆品工业中使用。
将聚偏氟乙烯（PVDF）静电纺丝纳米纤维薄膜应用在固液分离领域，证明了 其去除颗粒的适用性。经过表征发现，PVDF静电纺丝纤维薄膜与传统的微滤膜 具有相似的性质。这种膜被用于分离1μm、5μm、10μm的聚苯乙烯颗粒。实验 结果表明此纤维膜能除去溶液中90%的微米颗粒。
ＧＩＶＥ ＭＥ ＦＩＶＥ ＧＩＶＥ ＭＥ ＦＩＶＥ
ＧＩＶＥ ＭＥ ＦＩＶＥ
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
静电纺丝技术的发展历史
1934年 Formhals
1966年 Simons
1971年 Baumgarten
1981年 Larrondo 和Manley
首次在专利 中提出该技 术。他设计 了一套聚合 物溶液在强 电场下的喷 射进行纺丝 的加工装置。
静电纺丝的应用——电池和电极材料
以锂离子电池为例，静电纺能很好的改变其性能。 将PAN的静电纺丝和惰性气体下的热处理巧妙的结合起来，制备出高纯的碳纳 米纤维网络结构，由于其优良的物理和化学性质，这种碳纳米纤维能够很好的改 善锂离子电池（LiB）的电容率。因此，此碳纳米纤维是高功率LiB的理想阳极材料。
直流高压电在电纺过程中通常采用感应充电的方式， 即将直流高压电直接接在喷丝头上，接收装置接地或反之。 电压极性对纺丝过程影响不大，实验室多采用高压正电纺 丝。
交流电电纺可显著提高射流鞭动的稳定性，纤维变 粗但有序性增加，同时也可在绝缘的接收装置上有较大的 接收面积。但在纺丝过程中交流电频率不易调整（要考虑 每次的实验条件：温湿度、溶液性质等）。

光催化与静电纺丝ppt..
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利