光催化劑二氧化鈦的研究進展

趙麗敏，張寶峰（.赤峰學院；.赤峰市第二實驗中學，內蒙古　赤峰　04000）

光催化劑二氧化鈦的研究進展

趙麗敏1，張寶峰2
（1.赤峰學院；2.赤峰市第二實驗中學，內蒙古赤峰024000）

摘要：半導體氧化物二氧化鈦(TiO2)作為優(yōu)質、理想的光催化劑.基于其無毒、價廉、長效、可以再生循環(huán)利用[1].此外，更重要的是它和其它的光催化材料相比，TiO2幾乎可以降解所有的有機染料[2]，同時還具備降解速率快、可無選擇性降解、氧化反應的條件比較溫和等優(yōu)點，被公認為最適合去除空氣和水里的污染物的理想的光催化劑，最值得提出的是依據現(xiàn)有的大量實驗結果表明可以直接利用太陽能進行光催化降解，進而實現(xiàn)了在常溫常壓下可以將多數(shù)有機污染物分解成CO2和H2O等小分子的無毒物質[3].但是，半導體氧化物TiO2用于光催化降解含有有機染料的廢水時存在著兩點不足：一是，粉末狀的TiO2其自身易凝聚、難分離、易失活、難回收[4]等缺點，這使納米的TiO2光催化劑在實際應用中受到了很大的限制[5]；可以將其固定在基質上面再去進行催化反應[6].二是，TiO2具有相對較寬禁帶寬度(3.2eV)，致使其只被波長λ＜387nm的紫外光利用，這使得它對太陽光的利用率很低，因此，對TiO2進行改性的研究將是一項有重大意義的工作[7，8].

關鍵詞：二氧化鈦；光催化劑；降解；改性

自人類社會進入近現(xiàn)代以來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染及能源短缺等問題日益突顯，均已嚴重威脅人類的生態(tài)平衡和健康[9].目前，已將環(huán)境保護事宜列為我國發(fā)展改革的重要戰(zhàn)略任務之一，特別是水資源保護已成為環(huán)境保護的重中之重.工業(yè)廢水的肆意排放是水體的主要污染來源，尤其是印染紡織業(yè).據不完全的統(tǒng)計，我國印染廢水排放量是每天3×105至4×105萬升，其特點是排水量大、色度深、懸浮物含量高、有機污染物含量較高、堿性較大、水質變化大等[10].為了解決上述這些問題，研究人員開始不斷探索和研究，例如采用物理吸附法和膜分離法[11]等，化學的混凝法、氧化法、光催化氧化法[12]等，生物的好氧法、厭氧法及真菌技術[13]等.在以上的技術手段中，傳統(tǒng)方法都存在著一定弊端及應用的限制，而半導體TiO2光催化劑的光催化技術在治理環(huán)境污染方面具有很大發(fā)展?jié)摿Γ惨鹪絹碓蕉嗳说年P注.

1納米光催化劑TiO2的研究現(xiàn)狀

近些年來，研究人員致力于高活性的納米光催化劑TiO2制備和提高光催化反應效率的研究，為TiO2光催化反應的廣泛應用奠定了堅實的基礎. 1972年日本的科學家Fujishima和Honda，在Nature上首次發(fā)表一篇有關TiO2的電極具有光敏作用[14]，光照下可以在TiO2電極上分解水制H2和O2的報道，立即引起了國際上眾多研究者關注，并掀起了研究光催化反應熱潮，成為光催化時代的里程碑.在1976年，Carey和Lawrence等隨即發(fā)現(xiàn)了在水中，納米的TiO2能使難以降解的有機物多氯聯(lián)苯（PCB）在近紫外光的照射條件下實現(xiàn)徹底脫氯[15]. 在1985年，日本科學家Tadashi Matsunaga等首先發(fā)現(xiàn)了在紫外光下納米的TiO2具有殺菌作用[16].20世紀90年代的中期，研究發(fā)現(xiàn)在經過陽光或熒光燈的紫外線照射后，在富氧的水體中，納米的TiO2可以降解附在催化劑表面的所有的有機物、氧化物、硫化物、氮氧化物等[17].我國的祖庸使用了液相法及化學氣相沉積法合成了超細的TiO2粒子[18].岳林海等通過以下6種稀土離子Gd3+、Ce4+、Y3+、Tb3+、La3+、Eu3+摻雜的二氧化鈦催化材料進行光催化降解活性研究[19].

2 TiO2的改性

盡管TiO2光催化反應有著比較廣闊的應用前景，但由于TiO2價帶VB與導帶CB的距離過大，致使其太陽能利用率不高，進而影響了納米TiO2光催化劑催化效率.因此對納米TiO2光催化劑進行改性的研究成為了一項有重大意義的工作[20，21].這將為光催化技術在治理環(huán)境污染以及新材料等領域得到廣泛應用奠定基礎.下面介紹幾種主要的改性方法：

2.1金屬離子摻雜

通過摻雜少量過渡金屬離子和稀土金屬離子，可以有效地降低電子-空穴復合率[22]、拓寬吸收波長的范圍.

2.2非金屬離子摻雜

研究證明，非金屬摻雜不僅可以增強光催化劑在可見光區(qū)的響應能力，還能保持其在紫外區(qū)光催化活性.目前用于改性摻雜的非金屬有F、Cl、Br、C、N、B、P、S[23].

2.3半導體復合

常見的半導體復合材料有氧化物半導體Fe2O3、ZnO、ZrO2、RuO2、WO3和硫化物半導體CdS、PbS等此外還有碳族氧化物半導體如SiO2、SnO2.

2.4貴金屬沉積

貴金屬沉積可以有效的捕獲光生電子.常用的貴金屬有Ⅷ族的Au，Ag，Pt，Ru，Pd，Nb等，在納米TiO2表面沉積貴金屬后，可以形成“陷阱”用來俘獲電子，因而減少了光生空穴與光生電子復合來提高光催化效率[24].

2.5表面光敏化

在納米TiO2表面進行光敏化處理，可以將光活性物質吸附到光催化劑的表面，如果敏化物質的激發(fā)態(tài)電勢比半導體的電勢更負，將可能通過以下三個過程，敏化劑吸附到半導體的表面、吸附態(tài)敏化劑吸收的光子被激發(fā)以及激發(fā)態(tài)敏化劑的分子將電子注入半導體的導帶，隨后半導體激發(fā)波長會擴大，進而使更多的太陽光被利用，提高光催化效率[25].

2.6上轉換發(fā)光材料復合

我們把那些將能量較低可見光轉化成能量較高紫外光的材料稱之為可見-紫外上轉換發(fā)光材料.將此上轉換發(fā)光材料與納米TiO2進行復合后，當有可見光照射在復合光催化劑上時，上轉換材料隨即將可見光轉換成紫外光，隨后將紫外光傳遞給附近的納米TiO2，從而使TiO2的光催化性有了明顯的提高[26].

3　前景展望

太陽能的利用主要有以下三個方面：第一利用熱能發(fā)電；第二太陽能電池；第三太陽能的化學轉化過程，將太陽能轉化成氫能.氫能是一種理想的能源，具有能量密度高、無污染、可儲存等優(yōu)點.因此，把太陽能轉化成氫能，也成為太陽能利用中各種難題的解決提供了理想途徑.利用太陽能制氫途徑大致包括太陽能生物制氫，光生物質制氫、光催化分解水制氫等，其中光催化分解水制氫氣是最有可能實現(xiàn)大規(guī)模制氫的.由于光催化降解與光催化水解制氫在機理上具有一定的相似性，因此我們認為將這個方法用于光催化水解制氫也是可行的.

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中圖分類號：O643.31

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2015）10-0030-03