納米二氧化鈦的可控制備及其光催化和光電性能的研究

張寧

摘 要：納米二氧化鈦光催化技術(shù)是一種高級的催化氧化技術(shù)，室溫條件下利用這種技術(shù)可將空氣或水中有機(jī)污染物無選擇性氧化，因此這項技術(shù)在環(huán)境保護(hù)、新能源開發(fā)方面有著廣泛應(yīng)用空間。同時納米二氧化鈦是一種新型半導(dǎo)體材料，其光催化氧化技術(shù)在空氣凈化、光能轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。因其具有優(yōu)良光催化特性，在光電轉(zhuǎn)換、太陽能儲存和利用等方面具有廣闊應(yīng)用前景。本論文簡明扼要地介紹了影響二氧化鈦光催化效率的因素、納米二氧化鈦光催化技術(shù)實用性的難題，針對納米TiO2在實際應(yīng)用中存在的問題，對納米TiO2光催化效率的提高進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：TiO2;光催化;光電性能

1 引言

目前人們尋找和嘗試治理環(huán)境的辦法有物理吸附、化學(xué)氧化、微生物分解等。這些方法能在一定程度上解決環(huán)境污染問題，但還存在著不足。因此尋找一種效率高能耗低、適用范圍廣、催化效果佳的化學(xué)污染物治理技術(shù)是各領(lǐng)域?qū)W者共同追求的目標(biāo)。二氧化鈦是一種白色疏松粉末，無毒、難溶、價格低、活性佳。TiO2具有極強(qiáng)氧化能力，可使污染物完全降解為水和二氧化碳等小分子物質(zhì)，不會產(chǎn)生二次污染[1]。因此納米二氧化鈦在環(huán)境污染治理方面的前景是令人期待的。

2 影響二氧化鈦光催化效率的因素

2.1 晶型的影響

二氧化鈦的三種晶體結(jié)構(gòu)分別是銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型，銳鈦礦型的光催化活性是三種晶型中最好的。

2.2 熱處理溫度的影響

溫度是影響光催化效率的重要因素，隨著溫度升高，二氧化鈦由無定型轉(zhuǎn)為銳鐵礦型進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型。

2.3 光催化體系中的影響因素

在實際光催化體系中，催化劑濃度、體系的pH值、光源等對光催化效率都有影響。

3 納米二氧化鈦光催化技術(shù)實用性的難題

3.1 納米二氧化鈦光催化劑的廉價制備

3.1.1 氣相法

氣相法是將擬生長晶體材料通過升華、蒸發(fā)、分解等過程將其轉(zhuǎn)化為氣相，形成飽和蒸汽，冷凝結(jié)晶后生長出晶體。氣相法具有顆粒尺寸小、晶體純度較高等優(yōu)點，但原料成本高、產(chǎn)率低，因而需解決工藝及設(shè)備材料問題才能進(jìn)行實用化大規(guī)模生產(chǎn)。

3.1.2 液相法

液相法是選擇合適可溶性金屬鹽，按要求的計量配置成溶液，再用沉淀劑使金屬離子均勻結(jié)晶出來。液相法彌補(bǔ)了氣相法的不足，但制備的粒子大小不一、局部濃度易過高、干燥和煅燒時易引起硬團(tuán)聚，影響產(chǎn)品的使用。

3.2 納米二氧化鈦可見光部分的有效利用

二氧化鈦獨特的能帶結(jié)構(gòu)使其有效激發(fā)波長在紫外光部分，但太陽光中這部分能量不足5%，因而導(dǎo)致量子效率低。提高二氧化鈦在可見光部分有以下幾個方法。

3.2.1 貴金屬復(fù)合

當(dāng)半導(dǎo)體和金屬接觸時，會導(dǎo)致載流子重新分布，電子從能級較高的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)到能級較低的金屬，直至二者能級相同形成肖特基勢壘，提高了催化活性。

3 2.2 光敏化

目前已報道的有機(jī)光敏化劑有熒光素、葉綠素等。研究最早的有機(jī)光敏化劑是吡啶釕，但因釕價格昂貴而受到限制，目前研究最多的是金屬酞菁鐵。

3.3 納米二氧化鈦光催化劑的回收與固載化

常見的載體材料有玻璃類、金屬類、陶瓷類、吸附劑，負(fù)載后的催化劑活性有所降低。隨著先進(jìn)的負(fù)載技術(shù)和光催化反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展，這種方法會獲得更高的催化效率。

4 提高二氧化鈦光催化活性的方法

4.1 窄禁帶半導(dǎo)體復(fù)合和摻雜

窄禁帶半導(dǎo)體主要包含CdS、SnO2等，窄禁帶半導(dǎo)體的復(fù)合和摻雜因原材料成本低、可充分利用自然光源、合成工藝簡單等優(yōu)點而被廣泛研究。

4.2 改進(jìn)TiO2粉體制備工藝

增大光催化性能可通過利用TiO2粉體制備工藝進(jìn)而控制TiO2粉體的摻雜量、結(jié)構(gòu)性能和分散性。

4.3 改善光催化條件

光催化條件包括介質(zhì)pH值、光照強(qiáng)度等。pH越大，光降解性能越顯著。光照強(qiáng)度增大，納米CdS上的有機(jī)物光催化轉(zhuǎn)化和分解效率越強(qiáng)[2]。

5 納米二氧化鈦的應(yīng)用

5.1抗菌除臭

納米二氧化鈦具有良好的光催化活性，可應(yīng)用于制備抗菌材料。二氧化鈦光催化劑可與細(xì)胞或胞內(nèi)的組成成分發(fā)生反應(yīng)，使細(xì)胞菌頭單元失活從而使細(xì)胞死亡[3]。

5.2 涂料行業(yè)

利用納米二氧化鈦的紫外屏蔽功能，將其制成涂料，能有效地提高涂料的力學(xué)性能和耐老化性能。

5.3 太陽能的轉(zhuǎn)化和儲存

將太陽能轉(zhuǎn)化為可儲存的電能和氫能源是解決未來能源危機(jī)的主要途徑，以TiO2為主的材料光催化分解水制得氫氣是最簡便可行的方式。利用納米二氧化鈦的光致親水性可制得汽車后視鏡等。隨著深入的研究，納米二氧化鈦光催化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]向全軍，二氧化鈦基光催化材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能增強(qiáng)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2] T sutom u Shiragam iShinako Fukam.i Yuji w adashozo yanagida，J. Phys.ChemL1993（97）：12882-12887.

[3]周曉謙，周文淮，納米二氧化鈦光催化特性與應(yīng)用進(jìn)展，遼寧化工2002，31（10）：448-451.