趙麗敏，張寶峰（.赤峰學(xué)院；.赤峰市第二實(shí)驗(yàn)中學(xué)，內(nèi)蒙古　赤峰　04000）

光催化劑二氧化鈦的研究進(jìn)展

趙麗敏1，張寶峰2
（1.赤峰學(xué)院；2.赤峰市第二實(shí)驗(yàn)中學(xué)，內(nèi)蒙古赤峰024000）

摘要：半導(dǎo)體氧化物二氧化鈦(TiO2)作為優(yōu)質(zhì)、理想的光催化劑.基于其無毒、價(jià)廉、長效、可以再生循環(huán)利用[1].此外，更重要的是它和其它的光催化材料相比，TiO2幾乎可以降解所有的有機(jī)染料[2]，同時(shí)還具備降解速率快、可無選擇性降解、氧化反應(yīng)的條件比較溫和等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為最適合去除空氣和水里的污染物的理想的光催化劑，最值得提出的是依據(jù)現(xiàn)有的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以直接利用太陽能進(jìn)行光催化降解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在常溫常壓下可以將多數(shù)有機(jī)污染物分解成CO2和H2O等小分子的無毒物質(zhì)[3].但是，半導(dǎo)體氧化物TiO2用于光催化降解含有有機(jī)染料的廢水時(shí)存在著兩點(diǎn)不足：一是，粉末狀的TiO2其自身易凝聚、難分離、易失活、難回收[4]等缺點(diǎn)，這使納米的TiO2光催化劑在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的限制[5]；可以將其固定在基質(zhì)上面再去進(jìn)行催化反應(yīng)[6].二是，TiO2具有相對(duì)較寬禁帶寬度(3.2eV)，致使其只被波長λ＜387nm的紫外光利用，這使得它對(duì)太陽光的利用率很低，因此，對(duì)TiO2進(jìn)行改性的研究將是一項(xiàng)有重大意義的工作[7，8].

關(guān)鍵詞：二氧化鈦；光催化劑；降解；改性

自人類社會(huì)進(jìn)入近現(xiàn)代以來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染及能源短缺等問題日益突顯，均已嚴(yán)重威脅人類的生態(tài)平衡和健康[9].目前，已將環(huán)境保護(hù)事宜列為我國發(fā)展改革的重要戰(zhàn)略任務(wù)之一，特別是水資源保護(hù)已成為環(huán)境保護(hù)的重中之重.工業(yè)廢水的肆意排放是水體的主要污染來源，尤其是印染紡織業(yè).據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，我國印染廢水排放量是每天3×105至4×105萬升，其特點(diǎn)是排水量大、色度深、懸浮物含量高、有機(jī)污染物含量較高、堿性較大、水質(zhì)變化大等[10].為了解決上述這些問題，研究人員開始不斷探索和研究，例如采用物理吸附法和膜分離法[11]等，化學(xué)的混凝法、氧化法、光催化氧化法[12]等，生物的好氧法、厭氧法及真菌技術(shù)[13]等.在以上的技術(shù)手段中，傳統(tǒng)方法都存在著一定弊端及應(yīng)用的限制，而半導(dǎo)體TiO2光催化劑的光催化技術(shù)在治理環(huán)境污染方面具有很大發(fā)展?jié)摿?，也引起越來越多人的關(guān)注.

1納米光催化劑TiO2的研究現(xiàn)狀

近些年來，研究人員致力于高活性的納米光催化劑TiO2制備和提高光催化反應(yīng)效率的研究，為TiO2光催化反應(yīng)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 1972年日本的科學(xué)家Fujishima和Honda，在Nature上首次發(fā)表一篇有關(guān)TiO2的電極具有光敏作用[14]，光照下可以在TiO2電極上分解水制H2和O2的報(bào)道，立即引起了國際上眾多研究者關(guān)注，并掀起了研究光催化反應(yīng)熱潮，成為光催化時(shí)代的里程碑.在1976年，Carey和Lawrence等隨即發(fā)現(xiàn)了在水中，納米的TiO2能使難以降解的有機(jī)物多氯聯(lián)苯（PCB）在近紫外光的照射條件下實(shí)現(xiàn)徹底脫氯[15]. 在1985年，日本科學(xué)家Tadashi Matsunaga等首先發(fā)現(xiàn)了在紫外光下納米的TiO2具有殺菌作用[16].20世紀(jì)90年代的中期，研究發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過陽光或熒光燈的紫外線照射后，在富氧的水體中，納米的TiO2可以降解附在催化劑表面的所有的有機(jī)物、氧化物、硫化物、氮氧化物等[17].我國的祖庸使用了液相法及化學(xué)氣相沉積法合成了超細(xì)的TiO2粒子[18].岳林海等通過以下6種稀土離子Gd3+、Ce4+、Y3+、Tb3+、La3+、Eu3+摻雜的二氧化鈦催化材料進(jìn)行光催化降解活性研究[19].

2 TiO2的改性

盡管TiO2光催化反應(yīng)有著比較廣闊的應(yīng)用前景，但由于TiO2價(jià)帶VB與導(dǎo)帶CB的距離過大，致使其太陽能利用率不高，進(jìn)而影響了納米TiO2光催化劑催化效率.因此對(duì)納米TiO2光催化劑進(jìn)行改性的研究成為了一項(xiàng)有重大意義的工作[20，21].這將為光催化技術(shù)在治理環(huán)境污染以及新材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ).下面介紹幾種主要的改性方法：

2.1金屬離子摻雜

通過摻雜少量過渡金屬離子和稀土金屬離子，可以有效地降低電子-空穴復(fù)合率[22]、拓寬吸收波長的范圍.

2.2非金屬離子摻雜

研究證明，非金屬摻雜不僅可以增強(qiáng)光催化劑在可見光區(qū)的響應(yīng)能力，還能保持其在紫外區(qū)光催化活性.目前用于改性摻雜的非金屬有F、Cl、Br、C、N、B、P、S[23].

2.3半導(dǎo)體復(fù)合

常見的半導(dǎo)體復(fù)合材料有氧化物半導(dǎo)體Fe2O3、ZnO、ZrO2、RuO2、WO3和硫化物半導(dǎo)體CdS、PbS等此外還有碳族氧化物半導(dǎo)體如SiO2、SnO2.

2.4貴金屬沉積

貴金屬沉積可以有效的捕獲光生電子.常用的貴金屬有Ⅷ族的Au，Ag，Pt，Ru，Pd，Nb等，在納米TiO2表面沉積貴金屬后，可以形成“陷阱”用來俘獲電子，因而減少了光生空穴與光生電子復(fù)合來提高光催化效率[24].

2.5表面光敏化

在納米TiO2表面進(jìn)行光敏化處理，可以將光活性物質(zhì)吸附到光催化劑的表面，如果敏化物質(zhì)的激發(fā)態(tài)電勢(shì)比半導(dǎo)體的電勢(shì)更負(fù)，將可能通過以下三個(gè)過程，敏化劑吸附到半導(dǎo)體的表面、吸附態(tài)敏化劑吸收的光子被激發(fā)以及激發(fā)態(tài)敏化劑的分子將電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，隨后半導(dǎo)體激發(fā)波長會(huì)擴(kuò)大，進(jìn)而使更多的太陽光被利用，提高光催化效率[25].

2.6上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料復(fù)合

我們把那些將能量較低可見光轉(zhuǎn)化成能量較高紫外光的材料稱之為可見-紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料.將此上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料與納米TiO2進(jìn)行復(fù)合后，當(dāng)有可見光照射在復(fù)合光催化劑上時(shí)，上轉(zhuǎn)換材料隨即將可見光轉(zhuǎn)換成紫外光，隨后將紫外光傳遞給附近的納米TiO2，從而使TiO2的光催化性有了明顯的提高[26].

3　前景展望

太陽能的利用主要有以下三個(gè)方面：第一利用熱能發(fā)電；第二太陽能電池；第三太陽能的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，將太陽能轉(zhuǎn)化成氫能.氫能是一種理想的能源，具有能量密度高、無污染、可儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn).因此，把太陽能轉(zhuǎn)化成氫能，也成為太陽能利用中各種難題的解決提供了理想途徑.利用太陽能制氫途徑大致包括太陽能生物制氫，光生物質(zhì)制氫、光催化分解水制氫等，其中光催化分解水制氫氣是最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫的.由于光催化降解與光催化水解制氫在機(jī)理上具有一定的相似性，因此我們認(rèn)為將這個(gè)方法用于光催化水解制氫也是可行的.

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中圖分類號(hào)：O643.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2015）10-0030-03