二氧化鈦光催化研究進(jìn)展

張紅燕+龔勛+張文娟

摘要：指出了隨著人類社會與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境和能源成為人類面臨和亟待解決的重大問題，光催化以其可直接利用太陽能作為光源，成為能源和環(huán)境領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景的綠色技術(shù)。闡述了近年來人們對TiO2光催化劑的改性，以提高TiO2的光催化活性，對光催化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦； 光催化； 改性技術(shù)

中圖分類號：O664

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0030-02

1 引言

隨著人類社會與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問題也隨之出現(xiàn)，因此在發(fā)展的同時，也要注重能源和環(huán)境問題。經(jīng)過人們的研究努力，已經(jīng)建立了許多處理污染物的技術(shù)。如常用污染物的處理技術(shù)有物理法、化學(xué)法、生物法等，這些方法各有其優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)在于大多對污染物降解不徹底，易造成二次污染、投資成本大、操作費(fèi)用高等[1]。隨著國家對環(huán)保要求的提高，有必要尋求高效的污染物處理新技術(shù)。光催化技術(shù)是一種在能源和環(huán)境領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景的綠色技術(shù)，可利用太陽能對水和空氣中的多種污染物進(jìn)行降解。

光催化技術(shù)是指在光和光催化材料作用下，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使污染物被降解[2]。

在其過程中，除了光源，還必須有合適的光催化材料，TiO2因具有優(yōu)異的紫外線吸收能力、氧化還原能力強(qiáng)、光催化效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、無毒、無二次污染、抗化學(xué)和光腐蝕、價廉、粒徑小、比表面積大、可見光透明性、顏色效應(yīng)和表面超雙親性等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最常用的光催化材料[3～7]。但TiO2對太陽光的利用效率低，只有5%左右，當(dāng)受到紫外光照射時才能形成電子（e-）-空穴（h+）對，進(jìn)而降解污染物[8～10]。這樣會使TiO2光催化材料的實際應(yīng)用范圍降低，因此可以對二氧化鈦進(jìn)行改性以提高其可見光催化活性。

2 二氧化鈦改性技術(shù)

2.1 摻雜金屬離子

TiO2摻雜金屬離子可以擴(kuò)展光吸收波長范圍，提高光量子效率，抑制光生電子和空穴的復(fù)合，從而提高可見光催化性能。近些年國內(nèi)外研究了各種金屬離子摻雜TiO2，有過渡金屬離子和稀土金屬離子，如Au3+、W6+、Fe3+、Cu2+、Co2+、Sm3+、Yb3+、Mo3+、Gd3+、Mn2+、Ag+、Zn2+、Ru3+、Cd2+、Cr6+、La3+、Ce3+、Er3+、Pr3+、Nd3+[11～14]。通過摻雜，光催化性能都有一定程度的提高，有很大的參考應(yīng)用價值。

2.2 摻雜非金屬元素

非金屬元素的摻雜是在TiO2中引入晶格氧空位，或部分氧空位被非金屬元素取代，使TiO2的禁帶窄化，從而擴(kuò)展光的波長范圍。目前非金屬元素?fù)诫s改性TiO2已成為TiO2可見光研究熱點(diǎn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是在擴(kuò)展TiO2可見光催化活性的同時不影響紫外光的催化活性[15]。N元素在非金屬元素?fù)诫sTiO2中研究最多，綜合國內(nèi)外已有的研究報道，N摻雜TiO2光催化劑的制備方法可歸類為后處理[16]與過程處理[17，18] ，過程處理是在TiO2的形成過程中將N摻入，而后處理則是在TiO2形成后用含N物質(zhì)處理。此外，還有非金屬元素C、F、P、S等的摻入。但非金屬元素?fù)诫sTiO2實現(xiàn)可見光催化還存在一些問題，需要更深入的研究解決。

2.3 表面光敏化

表面光敏化是指在TiO2光催化劑表面物理或化學(xué)吸附一些染料類有機(jī)物，從而使吸收波范圍紅移[19]。光敏化可以擴(kuò)展TiO2光吸收波長范圍，提高對可見光的利用效率，進(jìn)而提高催化活性。染料類有機(jī)物是常用的光敏劑，如卟啉、、酞菁、曙紅、雜多藍(lán)、熒光素衍生物等。但大多數(shù)光敏劑在近紅外區(qū)吸收較弱，與污染物之間存在吸附競爭而不斷消耗，限制了光敏化的發(fā)展，還需進(jìn)一步研究，解決這一問題。

2.4 半導(dǎo)體復(fù)合

半導(dǎo)體復(fù)合是提高TiO2光催化性能的一種技術(shù)，利用兩種不同禁帶的半導(dǎo)體組合，以提高系統(tǒng)的電荷分離效果，擴(kuò)展光吸收波長范圍。當(dāng)兩種不同禁帶的半導(dǎo)體組合，通過不同組分間的接觸，光生電子會迅速注入能量較低的導(dǎo)帶，減少光生載流子的復(fù)合率，還可以將寬帶隙的TiO2光響應(yīng)區(qū)擴(kuò)展到可見光區(qū)，從而有效地利用太陽光和增加光穩(wěn)定性[20]。目前已有CdS-TiO2、SnO2-TiO2、WO3-TiO2、ZrO2-TiO2、V2O5-TiO2等研究報道。半導(dǎo)體復(fù)合光催化性能較純TiO2有所提高。

3 結(jié)語

在可見光催化中，二氧化鈦改性技術(shù)具有廣闊的實際應(yīng)用前景。但目前制備的催化劑，大多在可見光催化下，催化效率不夠高，穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步提高。因此通過對TiO2改性技術(shù)的了解，對提高催化劑活性的研究以及光催化技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)有著重要的現(xiàn)實意義。

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