改性TiO2光催化劑的研究進(jìn)展

陳思

(延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 延安 716000)

改性TiO2光催化劑的研究進(jìn)展

陳思

(延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 延安 716000)

本文重點(diǎn)探討了改性TiO2光催化劑的研究進(jìn)展，討論TiO2改性的方法和機(jī)理，并對(duì)TiO2光催化劑的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

改性二氧化鈦；光催化劑；可見光響應(yīng)

0 引言

TiO2具有氧化能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)，光催化氧化等方面。為了提高 TiO2對(duì)可見光響應(yīng)性能和光催化性能，減小催化劑的禁帶寬度和載流子的復(fù)合概率，當(dāng)前越來越多的研究的熱點(diǎn)集中在TiO2改性研究合成新型光催化材料，如金屬/非金屬摻雜、貴金屬沉積、半導(dǎo)體復(fù)合、表面光敏化等。

1 金屬摻雜改性

在TiO2表面摻雜金屬離子，通過改變TiO2粒子的表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，擴(kuò)大對(duì)可見光響應(yīng)范圍，促進(jìn)電子-空穴對(duì)分離，從而提高光催化活性及對(duì)太陽能的利用率，如摻雜Zn2+，F(xiàn)e3+，Mo5+，Ru2+，Re2+等[1]。

2 非金屬摻雜改性

Asahi等[2]首次通過理論計(jì)算證明以非金屬元素?fù)诫s改性的可行性，指出N元素?fù)诫s有效能夠顯著提高可見光利用率。隨后，N、C、F、S等非金屬元素?fù)诫s改性逐漸成為研究重點(diǎn)，摻雜方法主要包括：脈沖激光沉積、溶膠-凝膠合成、機(jī)械化學(xué)法、直接氨化法等。

3 貴金屬沉積改性

金屬與半導(dǎo)體具有不同的費(fèi)米(Fermin)能級(jí)，貴金屬沉積在TiO2表面能夠改變TiO2的電子分布，兩者接觸后電子易從高費(fèi)米能級(jí)的TiO2端遷移到低費(fèi)米能級(jí)的金屬端，直至兩者費(fèi)米能級(jí)相匹配。兩者接觸后形成的空間電荷層，界面產(chǎn)生schottky勢(shì)壘[3]，肖特基勢(shì)壘這一電子俘獲阱的存在能夠有效捕獲光生電子，促使光生電子與空穴分離大大提高TiO2光催化活性[4]。

4 復(fù)合半導(dǎo)體改性

利用窄帶隙的半導(dǎo)體敏化寬帶隙的TiO2，當(dāng)復(fù)合的窄帶隙半導(dǎo)體受光激發(fā)時(shí)，半導(dǎo)體與TiO2同時(shí)發(fā)生電子躍遷，導(dǎo)帶與價(jià)帶的差異使得光生電子聚集在TiO2的導(dǎo)帶，空穴則留在復(fù)合半導(dǎo)體的價(jià)帶中，光生載流子的分流度有效提高。分離后的電子(空穴)各自擴(kuò)散至復(fù)合材料表面參與氧化還原反應(yīng)，從而提高光催化效率。

TiO2與其他半導(dǎo)體結(jié)合形成復(fù)合型光催化材料，異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的空間效應(yīng)有助于分離光生電子與空穴，提高量子效率，從而使得光催化活性顯著改善。常見的半導(dǎo)體復(fù)合體系有ZrO2/TiO2，WO3/TiO2，CdS/TiO2，SnO2/TiO2等[5]。

5 光敏改性

TiO2光敏化是指通過物理或者化學(xué)的方法在TiO2表面添加光敏化劑，這些物質(zhì)在可見光下的激發(fā)態(tài)電勢(shì)比TiO2導(dǎo)帶電勢(shì)更負(fù)，激發(fā)產(chǎn)生的電子進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶，在TiO2中產(chǎn)生載流子的過程。一些常用染料(如赤鮮B、曙紅、酞花菁類)、熒光素、葉綠素等都可作為TiO2光敏化劑，此外一些 Pd、Pt和Ti等金屬的氯化物也被用作光敏化劑[6，7]。

6 TiO2固定化

相比將TiO2光催化劑直接作用與液-固相中，將TiO2固定化形成負(fù)載型光催化劑能夠有效克服催化劑分離回收難，氣相夾帶的問題[8]。此外，改變載體的類型，調(diào)變活性組分和載體的功能，也是提高TiO2光催化性能的有效途徑。近期的研究發(fā)現(xiàn)，TiO2等光催化劑與活性炭、碳納米管、石墨烯等復(fù)合能大幅度提高光催化性能。

7 結(jié)語

改性TiO2能夠有效提高太陽光的利用率，研究TiO2光催化劑改性的方法及改性的機(jī)理具有重要的理論和實(shí)踐意義。進(jìn)一步研究工作的應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面考慮：①進(jìn)一步研究如何在利用太陽光的同時(shí)提高光量子效率；②進(jìn)一步研究如何保持復(fù)合型TiO2在光催化過程中的穩(wěn)定性；③進(jìn)一步研究提高TiO2光催化劑的回收利用率。

[1]W Choi，A Termin，MR Hoffmann.The Role of Metal Ion Dopants in Quantum-Sized TiO2: Correlation between Photoreactivity and Charge Carrier Recombination Dynamics[J].Journal of Physical Chemistry,1994,98(51):13669-13679.

[2]Asahi R,Morikawa T,O hwaki T,etal.Science,2001,293 :269-271.

[3]王積森，馮忠彬，孫金全等.納米TiO2的光催化機(jī)理及其影響因素分析[J].微納電子技術(shù),2008,45(1):28-32.

[4]張瑩，龔昌杰，燕寧寧等.貴金屬改性TiO2光催化劑的機(jī)理及研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2011,25(15):46-49.

[5]高麗麗，于小迪，劉麒等.改性TiO2光催化氧化在水處理中的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科技,2013,26(5):63-66.

[6]劉春慧.表面光敏化TiO2/Ti光電極光電催化氧化水中甲草胺研究[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[7]陳印，馬曉軍.改性TiO2負(fù)載活性炭纖維的研究進(jìn)展[J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2014(4):40-44.

[8]王祖鹓，張鳳寶，張前程.負(fù)載型TiO2光催化劑的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2004,21(4):248-253.

陳思(1988-)，女，現(xiàn)從事水污染治理相關(guān)工作。