TiO2光催化材料的發(fā)展及其研究意義

張靜

摘 要 光催化技術(shù)是一種新興、節(jié)能、高效的現(xiàn)代綠色環(huán)保技術(shù)，光催化技術(shù)是在催化劑的作用下利用光輻射將污染物分解為無毒或毒性較低的物質(zhì)的過程，在眾多的光催化劑當(dāng)中，TiO2以其優(yōu)良的催化性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能、環(huán)保無毒、使用壽命長等優(yōu)點而被廣泛關(guān)注和使用。

關(guān)鍵詞 TiO2光催化材料 發(fā)展前景 研究意義

1 TiO2光催化材料的發(fā)展及前景

1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)受輻射的TiO2微粒上可使水發(fā)生持續(xù)的氧化還原反應(yīng)，以此為契機，開始了多相催化研究的新紀元。20世紀90年代以來，TiO2光催化在環(huán)境保護領(lǐng)域內(nèi)的水和氣相有機、無機污染物的光催化去除方面取得了較大的進展，被認為是一種極具前景的環(huán)境污染深度凈化技術(shù)。

制備TiO2的方法有很多，如液相制備方法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)方法等。采用不同的工藝方法，制備的二氧化鈦的成分、結(jié)構(gòu)、 取向以及二氧化鈦薄膜的厚度等均有所差異。溶膠-凝膠法的生產(chǎn)成本低，鍍膜所需溫度也較低，是目前常用的TiO2薄膜制備方法之一，主要以Ti（OR）4為原料，在有機介質(zhì)（多為乙醇）中通過水解、縮聚反應(yīng)制得溶膠，然后用旋轉(zhuǎn)涂覆法或者提拉法在基體上鍍膜，通過干燥焙燒除去凝膠中剩余有機物和水分，即可得到TiO2薄膜。

TiO2是一種廣泛應(yīng)用的多功能材料，TiO2本身具有獨特的光學(xué)、電學(xué)及物理性質(zhì)，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抗光腐蝕、耐酸堿腐蝕，而且無毒、價廉，已被廣泛應(yīng)用于涂料、化妝品、半導(dǎo)體、傳感器、介電材料、催化劑等領(lǐng)域，其在實際應(yīng)用中仍有著十分誘人的前景，為光催化技術(shù)在化學(xué)合成、污水處理、環(huán)境保護、太陽能利用等方面的實際應(yīng)用奠定可靠的基礎(chǔ)。TiO2是一種重要的寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料，廣泛地用作為陽極催化分解水、太陽能電池等光化學(xué)以及光電子器件的功能材料。近年來，TiO2的超親水性能越來越受到人們的關(guān)注，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于防霧自潔凈等一系列產(chǎn)品中，今后還將被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)保材料。半導(dǎo)體改性是改善TiO2 性能的關(guān)鍵因素，由于改性的研究涉及到催化、光化學(xué)、材料和環(huán)境等多個學(xué)科，具有相當(dāng)?shù)碾y度，國外已經(jīng)圍繞消除和減少達到超親水性所需要的條件和提高超親水性表面的穩(wěn)定性進行了許多研究，取得了很大進展。要使超親水涂料薄膜廣泛地在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，需要繼續(xù)研究各種改性技術(shù)，進一步提高其活性、穩(wěn)定性和應(yīng)用的可能性。

2 TiO2光催化材料存在的問題和研究意義

對TiO2光催化材料研究目前主要有兩大方向，TiO2納米粉體和TiO2納米薄膜，均為納米材料，但目前TiO2光催化材料離實際應(yīng)用尚有一段距離，還存在下列問題：

（1）TiO2納米粉體粒徑小，顆粒活性高，儲存和使用時易團聚，使其光催化活性降低；同時粉體在實際應(yīng)用中，需與一定載體復(fù)合使用，否則分離、回收困難，而與一定載體復(fù)合，又使粉體催化活性有一定的降低。

（2）TiO2納米粉和薄膜的光催化效率還很低。激發(fā)TiO2價帶電子的光波（€%d≤387nm）僅占總太陽能的3%，光生空穴與電子的復(fù)合率較高，一般氧化鈦基納米材料的量子效率仍然僅在1%左右，經(jīng)過改進的材料也不超過10%。光生電子的還原能力較弱，單位時間內(nèi)處理的廢水量小且濃度低。

（3）對TiO2薄膜進行離子摻雜是提高其光催化效率的一個重要途徑，但目前離子摻雜改善光催化性能的研究并不完全，不同離子的最佳摻雜量尚不明確，摻雜量在一定范圍內(nèi)可能提高催化效率，但超過一定量，反而會加速電子-空穴的復(fù)合，從而降低光催化效率。對不同的離子摻雜的改善能力和改善機理尚不是很清楚。因此納米TiO2光催化材料要達到實際應(yīng)用還需在提高光催化活性方面做大量工作。

將二氧化鈦光催化劑材料制備成薄膜以后，避免了很多納米粉體材料易于出現(xiàn)的弊端，但是，目前制備二氧化鈦薄膜的工藝尚不是很成熟。所以可以采用溶膠-凝膠法和旋涂工藝，以分析純級鈦酸丁酯、冰乙酸、乙酰丙酮、無水乙醇、去離子水為原料，制備二氧化鈦薄膜。研究各原料組分在整個溶膠體系中的主要作用，以及調(diào)節(jié)各組分的配比，以求制備出均勻、穩(wěn)定的溶膠；并研究溶膠的成膜工藝及薄膜的熱處理工藝，制備出連續(xù)均勻薄膜。

目前阻礙納米二氧化鈦應(yīng)用推廣的主要障礙是反應(yīng)的光催化效率不高，將納米二氧化鈦進行離子摻雜后制備薄膜，可以有效提高其光催化效率。所以可以選擇不同價態(tài)且半徑與Ti4+離子半徑相當(dāng)?shù)碾x子對TiO2材料進行摻雜改性的研究，探究不同摻雜量以及不同離子的的摻入對TiO2光催化性能的影響。

參考文獻

[1] K.Madhusudan Reddy，Sunkara V.Manorama，et al，Bandgap studies on anatase titanium dioxide nanoparticles，Material Chemistry and Physics 78（2002）：239-245.