二氧化鈦納米管陣列在環(huán)境光催化中的應(yīng)用研究

徐明航 1　何北京　李征　王藝霏　楊慧　丁文杰　李運林

摘 要： 二氧化鈦（TiO2）是一種用于環(huán)境凈化的優(yōu)異光催化材料。本文綜述了有關(guān)二氧化鈦納米管陣列的環(huán)境光催化技術(shù)，論述了通過摻雜和復(fù)合對二氧化鈦納米管陣列改性的方法，介紹了二氧化鈦納米管在環(huán)境光催化中的應(yīng)用研究。同時，對二氧化鈦納米管陣列未來的主要研究內(nèi)容進行了展望。

關(guān)鍵詞： 二氧化鈦納米管陣列;環(huán)境光催化;催化劑改性;太陽能電池

1 水體凈化

二氧化鈦納米管陣列利用其強氧化能力降解去除有機污染物，可用于污水處理，實現(xiàn)完全無機化，無二次污染。例如，可以將劇毒的重金屬離子還原成毒性較小甚至無毒的離子。Xie等研究了用二氧化鈦納米管陣列降解雙酚A，結(jié)果表明二氧化鈦納米管陣列的降解率明顯高于二氧化鈦納米粒子，提高了51.1%。Schmuki等認為管長越長，二氧化鈦納米管陣列的光催化性能越好，水體凈化更加徹底。

2 氣體凈化

我們每天呼吸的空氣中含有大量的污染物，如揮發(fā)性有機污染物（VOCs）、氮氧化物（NOx）和懸浮顆粒物。即使這些污染物濃度很低，也會損害我們的健康。二氧化鈦納米管陣列光生載流子具有很強的氧化能力，它被認為是目前最有發(fā)展前景的光催化劑。該技術(shù)不僅可以用于改善室內(nèi)生活環(huán)境，還可以用于工業(yè)廢氣和汽車尾氣的降解，對改善生活質(zhì)量具有積極作用。

3 染料敏化太陽能電池

目前，由于制造成本高，硅太陽能電池的開發(fā)和應(yīng)用受到很大限制。20世紀90年代，瑞士的Gratzel教授成功將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，他主要是運用一種基于納米二氧化鈦納米管陣列的染料敏化太陽能電池（DSSC）。為了提高設(shè)備性能和降低生產(chǎn)成本，人們付出了巨大的努?；诙趸伡{米管陣列的DSSC已報告的最高效率為12.3%，并且正在成為硅基光伏技術(shù)的潛在成本效益替代品。二氧化鈦納米管陣列作為DSSC敏化劑（染料分子）和電子傳輸介質(zhì)的高表面積載體的關(guān)鍵組分，敏化劑和二氧化鈦納米管陣列之間的電荷轉(zhuǎn)移效率和二氧化鈦納米管陣列電極中的電子傳輸對器件性能至關(guān)重要。此外，已經(jīng)研究了許多方法來增強氧化還原介質(zhì)，染料敏化的二氧化鈦電極和Pt對電極之間的電子轉(zhuǎn)移。解決此限制的一種方法是將高導(dǎo)電材料（例如石墨烯或碳納米管）與二氧化鈦納米管陣列結(jié)合。該方法允許由光電子傳輸?shù)奖趁嫔系慕佑|點，由于不穿過二氧化鈦層，可能與孔重新結(jié)合或被困在缺陷位置。

4 光解水制氫

自從Fujishima等利用二氧化鈦作為催化劑來光解水獲得氫氣，二氧化鈦納米管陣列電極光解水制氫原理，因其潔凈無污染而獲得廣泛關(guān)注。。隨后，Mor等使用二氧化鈦納米管陣列光解水，管長為224nm的實驗效果最佳，提供6.8%的太陽能轉(zhuǎn)換效率，并且他們還發(fā)現(xiàn)納米管管壁影響光解水的效率。如今，光催化制氫領(lǐng)域的研究人員，正專注于改進二氧化鈦納米管并擴大光譜利用范圍以提高氫生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論與展望

鑒于二氧化鈦納米管陣列具有獨特的理化特性，在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但其實際應(yīng)用的研究不多。因此，二氧化鈦納米管陣列的研究工作仍需要進一步地深入，未來的研究方向主要集中在以下幾個方面：

（1）目前，二氧化鈦納米管陣列的制備工藝不夠完善，各種制備方法均存在缺陷，反應(yīng)機理認識不足，有必要優(yōu)化工藝條件或探索新方法，以提高二氧化鈦納米管的制備工藝

（2）通過改變二氧化鈦納米管的基體材料得到的形貌新穎的二氧化鈦納米管陣列不僅高度有序，而且相比于傳統(tǒng)的二氧化鈦納米管具有更高的比表面積，以實現(xiàn)更好的光電轉(zhuǎn)化性能。

（3）通過摻雜、敏化和復(fù)合改性的二氧化鈦納米管陣列對可見光的響應(yīng)增加。二氧化鈦納米管是空心的，無機、有機、金屬或磁性材料均可以填充到管中，使得二氧化鈦納米管的光電性能得到顯著提高，更廣闊的應(yīng)用前景指日可待。

參考文獻

[1]Ling X， Xie L. M， Fang Y， et al. Can graphene be used as a substrate for raman enhancement[J]. Nano Letters，2010，10：553-561.

[2]Schneider J， Matsuoka M， Takeuchi M， et al. Understanding TiO2 photocatalysis： mechanisms and materials[J]. Chemical Reviews，2014，114（19）：9919-9986.

[3]ORegan B， Grtzel M. High-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films[J]. Nature，1991，353：737-740.

[4]Fujishima A， Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode[J]. Nature，1972，238（5358）：37-38.

[5]Gong D， Grimes C A， Varghese O K， et al. Titanium Oxide Nanotube Arrays Prepared by Anodic Oxidation[J]. Journal of Materials Research，2001，16（12）：3331-3334.