TiO2基催化材料氧化降解甲醛的研究進(jìn)展

摘要：甲醛作為一種常見(jiàn)的室內(nèi)空氣污染物，對(duì)人體健康有著顯著危害。因此，研發(fā)高效、環(huán)保的甲醛降解技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。TiO2基催化材料因其光催化性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在甲醛降解領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。綜述了TiO2基催化材料在氧化降解甲醛方面的最新研究進(jìn)展，探討了TiO2光催化降解甲醛的機(jī)理，概述了提升催化效率的多種途徑，最后對(duì)TiO2基催化材料在甲醛降解領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為未來(lái)對(duì)甲醛的高效降解及空氣凈化技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦；降解；甲醛；光催化

早在1980年Swenberg等［1］研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間暴露并吸入甲醛蒸氣會(huì)誘導(dǎo)大鼠鼻腔鱗狀細(xì)胞癌，此后甲醛的致癌性逐漸引起人們的關(guān)注。甲醛作為一種常見(jiàn)的室內(nèi)空氣污染物，被世界衛(wèi)生組織列為I級(jí)致癌物。1976年，Carey等［2］提出利用TiO2作為光催化劑來(lái)降解聯(lián)苯等污染物的方法，推動(dòng)了光催化劑在環(huán)境污染治理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前，光催化氧化法是去除甲醛行之有效的方法之一［3］。因此，利用光催化氧化技術(shù)來(lái)清除室內(nèi)的甲醛及其他揮發(fā)性有機(jī)化合物具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義，而且在未來(lái)也展現(xiàn)出巨大的研究潛力。

1TiO2光催化甲醛機(jī)理

在紫外光或可見(jiàn)光的照射下，TiO2吸收光能后被激發(fā)，其表面的價(jià)帶頂部電子被高能光子激發(fā)，從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，形成光生電子（e-），同時(shí)在價(jià)帶中留下光生空穴（h+）。產(chǎn)生的電子空穴對(duì)（e--h+），其中e-具有很強(qiáng)的還原能力，能與氧氣或水中的氧等還原劑反應(yīng)，生成氫氧離子或超氧自由基等活性氧物種［4］；而h+則具有強(qiáng)氧化性，能與水分子反應(yīng)生成·OH，這是一種強(qiáng)氧化劑，可以對(duì)甲醛進(jìn)行氧化降解?；钚匝跷锓N和羥基自由基與甲醛分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致甲醛分子中的化學(xué)鍵斷裂，最終被分解為CO2和H2O等無(wú)害的小分子。

2光催化高效降解甲醛途徑

2.1TiO2負(fù)載貴金屬

通過(guò)將貴金屬負(fù)載在TiO2載體上，由于貴金屬具有未填滿的d電子軌道，表面易吸附反應(yīng)物，利于形成活性中間產(chǎn)物，可以進(jìn)一步優(yōu)化催化劑的性能，提高甲醛催化氧化的效率。Su等［5］研究了Pt負(fù)載量和TiO2晶體時(shí)，發(fā)現(xiàn)Pt質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%且由銳鈦礦TiO2負(fù)載的催化劑具有最佳的催化性能。在50 ℃和100 ℃下，甲醛的轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到98%和100%，穩(wěn)定時(shí)間超過(guò)140 h。

2.2過(guò)渡金屬氧化物引入TiO2

在TiO2中引入過(guò)渡金屬氧化物，可以改變TiO2的能帶結(jié)構(gòu)，形成新的活性位點(diǎn)，降低光催化反應(yīng)的能壘，提高反應(yīng)效率，增強(qiáng)催化劑對(duì)甲醛的吸附和活化能力。Mohamed等［6］以N膠體碳球?yàn)槟０鍎?，在TiO2中引入MnO2制備新型中空納米球NTiO2/MnO2催化劑，它在見(jiàn)光照射下對(duì)氣態(tài)甲醛的光降解活性效率達(dá)到90%以上，比傳統(tǒng)催化劑TiO2高出約10倍。

2.3非金屬元素引入TiO2

非金屬元素的摻雜可以減小TiO2的禁帶寬度，提高對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力，有助于形成新的表面缺陷或復(fù)合中心，促進(jìn)甲醛分子的吸附和后續(xù)的氧化反應(yīng)。Luo等［7］采用水熱法制備了摻雜C的TiO2顆粒來(lái)降解甲醛，在模擬室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)一步研究光催化反應(yīng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)C摻雜TiO2對(duì)人造板甲醛的光降解情況，結(jié)果表明，在70 min內(nèi)降解率達(dá)90%，表現(xiàn)出良好的光催化性能。

2.4多元共摻雜復(fù)合改性TiO2

多元共摻雜復(fù)合改性通常分為金屬金屬共摻雜、非金屬非金屬共摻雜和金屬非金屬共摻雜。金屬元素能夠在TiO2的晶格中引入更多的缺陷位點(diǎn)和活性中心，這有助于捕獲光生電子和空穴，減少它們的復(fù)合概率；非金屬元素能夠減小TiO2的禁帶寬度，擴(kuò)展其光譜響應(yīng)范圍至可見(jiàn)光區(qū)域。發(fā)揮多元金屬元素之間的協(xié)同作用可以促進(jìn)甲醛分子的吸附和降解過(guò)程。Tan等［8］制備了銀納米粒子（AgNP）、TiO2和5%量的碳納米管（CNTs）組成的Ag/N摻雜TiO2/CNTs的新型高效催化劑。由于TiO2的N摻雜可減小帶隙，有利于Ti3+的形成和電子轉(zhuǎn)移，降低光生空穴對(duì)的復(fù)合速率，提高對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)。該催化劑在可見(jiàn)光照射下實(shí)現(xiàn)了95%的甲醛消除率。

3結(jié)論

TiO2作為一種典型的光催化降解甲醛的理想材料，TiO2基催化材料在光催化降解甲醛領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。為提高TiO2的光催化降解效率，解決TiO2自身帶隙寬、光響應(yīng)范圍窄、電子空穴易復(fù)合等問(wèn)題，研究者們通過(guò)對(duì)TiO2負(fù)載貴金屬、引入過(guò)渡金屬氧化物、非金屬以及多元共摻雜復(fù)合改性等舉措來(lái)提高光催化降解效率，增強(qiáng)了催化劑的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性，從而整體提升光催化降解甲醛的能力。因此，未來(lái)的研究應(yīng)繼續(xù)深入探索高效、穩(wěn)定的TiO2基催化劑的制備方法和改性策略，尤其是對(duì)多元共摻雜復(fù)合改性的深化研究，以推動(dòng)其在室內(nèi)空氣凈化、環(huán)境治理等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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基金項(xiàng)目：甘肅省教育科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2024A240）

作者簡(jiǎn)介：王小玉，女，講師，研究方向：新型綠色材料。