無機(jī)陰離子修飾二氧化鈦對光催化活性的影響

孟喜德 郭詩韻 盧娜娜 鄧孟秋 張雪純 汪恂

摘 要：光催化技術(shù)是一種新興的高效節(jié)能現(xiàn)代污水處理技術(shù)。本文敘述了 TiO2 表面非金屬陰離子修飾技術(shù)研究進(jìn)展。從離子修飾機(jī)理角度解釋了離子修飾提高TiO2光催化活性的原因，進(jìn)一步闡述光催化技術(shù)面臨問題及發(fā)展

前景。

關(guān)鍵詞：光催化技術(shù) 離子修飾 無機(jī)陰離子

1引言

Ti02因其優(yōu)異的光催化性能，在污染物廢水及 空氣凈化方面引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1.2]。早期的研究主要集中在懸浮體系即 TiO2粉末上，但目前懸浮相TiO2光催化劑在水中易凝聚、易失活、且使光的穿透力受阻，尤其是處理后的光催化劑分離與回收的難題已成為該項(xiàng)技術(shù)能否工業(yè)化的關(guān)鍵。近年來，離子修飾TiO2是提高其光催化活性的一條很好的途徑，成為目前光催化技術(shù)的研究熱點(diǎn)[3.4]。

2非金屬陰離子修飾

陰離子表面修飾能提高光催化降解污染物的效率。王知彩等[3]研究了SO42-改性TiO2催化降解茜素紅水溶液，結(jié)果表明，SO42-/ TiO2對茜素紅水溶液具有較強(qiáng)催化降解活性及一定的光催化特性，其降解作用不同于TiO2光催化。顏秀茹等[4]采用共沉積—浸漬法制備了SO42-/ TiO2-SiO2，并用XPS、IR等對該催化劑進(jìn)行了表征，說明SO42-/ TiO2-SiO2具有固體超強(qiáng)酸結(jié)構(gòu)，由于該酸中 S=O 鍵具有很強(qiáng)的誘導(dǎo)效應(yīng)，使得表面Ti4+的L酸性增強(qiáng)；當(dāng)SO42-/ TiO2-SiO2吸附少量水時，水分子中 H+易解離出來而形成B酸中心，并且，SO42-/ TiO2-SiO2表面上這兩類酸中心很容易相互轉(zhuǎn)化，使其表面的酸度增強(qiáng)，其結(jié)果就有利于TiO2導(dǎo)帶上的光生電子向表面遷移，會導(dǎo)致光生電子與空穴的分離，從而提高了光催化反應(yīng)速率，增大了SO42-/ TiO2-SiO2光催化降解甲基橙的活性.

Gomez 等[5]采用硫化溶膠—凝肢技術(shù)制備了硫化的TiO2光催化劑，首先用溶膠—凝膠法制備了純TiO2，然后用5 mL的0.5 mol/L硫化銨溶液浸漬，攪拌3h后干燥，600 °C在動態(tài)空氣中鍛燒3h便得到硫化的TiO2，測得硫含量為ω（S）=0.59%。實(shí)驗(yàn)表明，硫離子使TiO2的禁帶寬度變小，且能抑制銳鐵礦向金紅石相的轉(zhuǎn)變，硫離子修飾TiO2催化劑在紫外光下催化降解2，4-二硝基苯肢的活性高于純TiO2.。戴文新等口[6]利用提拉法在載片上制得含有鹵素離子的 TiOz-X 薄膜樣片，研究了不同 X- 濃度對 TiO2 薄膜光致親水性的影響，結(jié)果表面， TiO2-Im薄膜的表面0含量和表面起基數(shù)都較純TiO2薄膜發(fā)生了變化，說明I-可能與 TiO2 發(fā)生了化學(xué)作用，并從TiO2薄膜光致親水性的作用機(jī)理及鹵素離子的化學(xué)作用解釋了X-對TiO2薄膜光致親水性的影響。

3離子修飾 TiO2的機(jī)理

金屬陽離子和非金屬陰離子修飾都能使TiO2的光吸收邊向可見光方向移動，因此離子改性TiO2使得光催化劑的結(jié)構(gòu)和光催化性能顯著改善，是提高光催化降解有機(jī)污染物的效率主要原因[7]。雖然，人們提出了很多摻雜光催化反應(yīng)機(jī)理，但歸納起來 基本認(rèn)為外界離子摻入 TiO2后，都改變了TiO2相應(yīng)的能級結(jié)構(gòu)，即形成了新的摻雜能級。因?yàn)閾诫s能級在TiO2禁帶中的位置不同，一般金屬離子摻雜形成的摻雜能級在靠近TiO2導(dǎo)帶的位置，而非金屬陰離子摻雜形成的摻雜能級在靠近TiO2價帶的位置。摻雜能級可以接受TiO2價帶上的激發(fā)電子，或者吸收光子使電子躍遷到TiO2的導(dǎo)帶上。由于摻雜能級處于禁帶之中，使長波光子也能被吸收，從而擴(kuò)展了TiO2吸收光譜的范圍。但是，關(guān)于摻雜能級的形成機(jī)理還沒有達(dá)成共識。另外，摻雜的離子也會成為電子—空穴的復(fù)合中心，不利于催化劑的光催化活性，因此摻雜離子存在一個最佳摻雜

濃度。

4.結(jié)束語

縱觀近年來光催化技術(shù)的發(fā)展，TiO2在功能材料及三廢處理等方面發(fā)揮出它極大的優(yōu)勢，無論在基礎(chǔ)理論研究還是在實(shí)際應(yīng)用方面都有著長足的發(fā)展。但是，目前TiO2光催化技術(shù)還存在下列問題： （1）量子效率低（4%左右）； （2）太陽能利用率低 ；（3）使用壽命不夠長；（4） 光生電子還原能力較弱、單位 時間內(nèi)處理的廢水量小且散度低等.圍繞這些問題，經(jīng)過國內(nèi)外專家的不斷努力，開拓創(chuàng)新，另外，由于TiO2本身具有優(yōu)異的光催化特性、抗光腐蝕、耐酸 堿腐蝕、無毒、價廉等優(yōu)點(diǎn)使其在實(shí)際應(yīng)用方面有著十分誘人的應(yīng)用前景，為光催化技術(shù)在化學(xué)合成、污水處理、環(huán)境保護(hù)、太陽能利用等方面實(shí)際應(yīng)用奠定可靠基礎(chǔ)。

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[4] 顏秀茹，白天，韓芳，等. SO42-?/TiO2-SiO2 的制備及對甲基橙的光催化降解[1].無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)， 2003 ，19（10）：1125

[5] Gomez R ，Lopez T ，Ortiz-Islas E ，et al. Effects of altervalent cation doping of Ti02 0n its performance as a photocata?Iyst for water c1eavage [JJ.] Mol Catal A：Chem ，2003 ，193：217-226.

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