量子點敏化納米二氧化鈦的研究進(jìn)展

周海鷗 楊明娣（安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

在能源與環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的今天，以半導(dǎo)體金屬氧化物作為催化劑，直接利用太陽光能降解環(huán)境污染物的光催化技術(shù)已成為水處理領(lǐng)域的重要研究方向之一[1-4]。目前，光催化技術(shù)的發(fā)展存在兩個關(guān)鍵問題：首先是設(shè)計并合成在可見光激發(fā)下具有較高活性的光催化劑；另一方面則是增加光催化體系的活性表面區(qū)域，以利于光催化反應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)移[5-6]。

1 二氧化鈦的敏化

二氧化鈦（TiO2）作為一種金屬氧化物半導(dǎo)體材料，因具有活性高、穩(wěn)定性好、價廉易得、對人體無害等優(yōu)點而成為最受重視并廣泛使用的一種光催化劑。但TiO2材料的帶隙較寬（金紅石為3.0 eV，銳鈦和板鈦為3.2 eV），吸收波長位于400 nm以下的紫外光區(qū)，只能利用太陽光能量的5%。除此之外，TiO2在光催化過程中所產(chǎn)生的電子-空穴對的快速重結(jié)合也限制了純TiO2材料的光催化效果。為了提高TiO2材料的可見光催化活性，研究者們開展了大量工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)將TiO2與一些可見光響應(yīng)材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)是一種行之有效的方法，這種方法不僅可以提高其可見光吸收效率，還可以阻止能量的重結(jié)合。目前，已有很多貴金屬[7]以及窄帶隙納米材料被用來與TiO2納米材料復(fù)合，如CdS[8]，Bi2S3[9]，V2O5[10]，Ag2O[11]，WO3[12]，Bi2O[13]，BiVO4[14]等。

與傳統(tǒng)的窄帶隙納米材料相比，碳量子點（CQDs）作為一種新型的碳質(zhì)納米材料，已成為一個新的研究熱點。所謂量子點，是指是由半導(dǎo)體材料（通常由IIB-VIA或IIIA-VA元素組成）制成的、穩(wěn)定直徑在2-20 nm的納米粒子，由于電子和空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)，從而獲得獨特的量子效應(yīng)。碳量子點不僅具有可調(diào)節(jié)的可見光吸收性，獨特的光催化電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)和光致熒光效應(yīng)，還具有化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性好，易功能化的優(yōu)點，在光催化劑領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[15]。一些研究結(jié)果表明：碳量子可以和很多半導(dǎo)體材料復(fù)合以提高其可見光催化活性，如段輝高課題組通過水熱法制備了具有可見光響應(yīng)性的CQDs/Fe2O3復(fù)合物，并用來對苯和甲醇進(jìn)行了光催化降解實驗[16]?？嫡褫x課題組通過水熱法合成了具有良好可見光響應(yīng)性的CQDs/ZnO復(fù)合材料[17]。

近年來，在CQDs/TiO2光催化劑的設(shè)計與合成方面也取得了重要進(jìn)展。如劉建軍課題組在低溫條件下合成了CQDs/TiO2納米片復(fù)合材料，并在可見光下對羅丹明B進(jìn)行了光催化降解，實驗結(jié)果表明：與純TiO2材料相比，CQDs/TiO2納米片復(fù)合材料的可見光催化活性有了很大提高[18]。Liu等通過熱裂解法制備了CQDs/3D-TiO2納米棒簇異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)物具有很強(qiáng)的可見光吸收性以及光致發(fā)光效應(yīng)[19]?？嫡褫x課題組利用水熱法制備了CQDs/TiO2納米粒子復(fù)合材料，并對其可見光催化活性進(jìn)行了研究[20]。邵名望課題組利用超聲法合成了石墨烯量子點，與TiO2納米顆粒復(fù)合后對亞甲藍(lán)進(jìn)行了可見光催化降解[21]。

2 結(jié)語

由于TiO2晶體中001晶面的能量遠(yuǎn)高于其它晶面，理論上具有更高的活性。與101晶面主導(dǎo)的TiO2納米顆粒相比，TiO2納米管暴露001晶面更多，因此具有更高的光催化活性。且納米管的中空管狀結(jié)構(gòu)比表面積大，吸附能力強(qiáng)，更易與量子點結(jié)合，從而實現(xiàn)TiO2材料的可見光化。但是目前關(guān)于CQDs/TiO2納米管的報道尚不多見，而且相關(guān)的文獻(xiàn)報道主要集中在新型量子點/TiO2異質(zhì)結(jié)的實驗合成上，對于光催化過程機(jī)制，如尺寸形貌、晶面、缺陷、分子與表面的相互作用等對光催化劑電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響則鮮有提及。因此，開展相應(yīng)的理論計算，模擬與分析，研究CQDs尺寸、密度、二氧化鈦納米管形貌尺寸等因素對CQDs/TiO2納米管電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)（如帶隙及態(tài)密度）的影響，對于指導(dǎo)CQDs/TiO2納米管的設(shè)計合成，更好的理解整個光催化過程有著重要意義。

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