吳琪(西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏自治區(qū)西藏拉薩850000)

二氧化鈦光催化劑改性研究進展

吳琪(西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏自治區(qū)西藏拉薩850000)

TiO2光催化材料，因為其具有較高的催化活性，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，成為當(dāng)前的研究熱點。本文重點探討了改性TiO2光催化劑的研究進展，對金屬摻雜、復(fù)合半導(dǎo)體、貴金屬沉積、光敏化等四種方法分別進行深入的分析研討。研究結(jié)果表明這四種方式都能有效地提高二氧化鈦的光催化活性。

TiO2；光催化；光催化改性

1972年，F(xiàn)ujishima和Honda[1]發(fā)現(xiàn)光電池中光照射的TiO2可持續(xù)發(fā)生水的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生H2。這一開創(chuàng)性的工作標志著以TiO2為代表的半導(dǎo)體光催化劑開始發(fā)展起來。TiO2獨特的光學(xué)性能，電學(xué)性能以及催化性能，使其在污水處理、空氣凈化、光解水制氫和染料敏化太陽能電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

半導(dǎo)體的光催化特性是由它的特殊能帶結(jié)構(gòu)所決定。但是，TiO2具有較大的禁帶寬度(3.2 eV)，只能吸收波長λ≤387nm的紫外光，不能有效地利用太陽能，光催化或能量轉(zhuǎn)換效率偏低，使它的應(yīng)用受到限制。因此對TiO2的改性研究，通過調(diào)控禁帶帶寬的調(diào)控，擴大它的光響應(yīng)范圍，仍是十分重要的研究課題。目前，TiO2光催化劑的改進方法有很多，比如貴金屬沉積、離子摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合、表面修飾等。

1 金屬離子的摻雜

金屬離子的摻雜本質(zhì)上是通過把一定量的雜質(zhì)離子（主要指的是過渡金屬離子和一些稀土離子，如摻雜Zn,Fe,Mo,Ru等）引入到TiO2晶格的中間，從而來影響TiO2內(nèi)部載流子的一系列過程，來改變TiO2的光催化效果。由于鈦元素屬于過渡金屬元素，容易形成光生電子空穴對的淺勢捕獲阱，有效的降低了電子和空穴的復(fù)合概率。

2 復(fù)合半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的復(fù)合利用兩種不同的半導(dǎo)體的能級差可以有效的提高電荷分離，即利用窄帶隙的半導(dǎo)體敏華寬帶隙的半導(dǎo)體TiO2，從而擴展TiO2的吸收光譜范圍。在光照的激發(fā)下，復(fù)合的窄帶隙半導(dǎo)體受光激發(fā)時，半導(dǎo)體與TiO2同時產(chǎn)生電子躍遷。由于光子的能量比TiO2中的禁帶寬度小，卻比復(fù)合的窄帶隙半導(dǎo)體的禁帶寬度大，使得光生電子聚集在TiO2的導(dǎo)帶，而空穴則留在復(fù)合半導(dǎo)體的價帶中，這種電子的遷移，十分大的程度上降低了光生電子空穴的復(fù)合概率，進而提高了材料的光催化效率。常見的半導(dǎo)體復(fù)合體系有ZrO2/TiO2,WO3/TiO2,CdS/TiO2,SnO2/TiO2等。

3 貴金屬沉積

金屬與半導(dǎo)體具有不同的費米能級,貴金屬沉積在TiO2表面能夠改變TiO2的電子分布。通常，貴金屬的費米能級要比TiO2的費米能級高，為了使兩者混合時費米能級能夠保持一致，維持系統(tǒng)的平衡，所以費米能級低的TiO2中的電子會持續(xù)向更高的費米能級移動，直到貴金屬的費米能級和TiO2的費米能級不存在能級差。貴金屬和TiO2混合會形成一種空間電荷層，電荷層中電子將會向貴金屬表面移動，吸附氧速率也因載流子的速率提高而得到了相應(yīng)的提高。

4 表面光敏化

在TiO2中摻雜了一定量的光活性化學(xué)物質(zhì)，擴大二氧化鈦激發(fā)波長的范圍。因此常常通過物理或者化學(xué)的方法在TiO2表面添加光敏化劑,這些物質(zhì)在可見光下的激發(fā)態(tài)電勢比TiO2導(dǎo)帶電勢更負,激發(fā)產(chǎn)生的電子進入TiO2導(dǎo)帶,在TiO2中產(chǎn)生載流子的過程。通過物理吸附方法或者化學(xué)吸附的方法，使光活性化合物吸附在催化劑的表面從而使吸收波長范圍發(fā)生紅移，這個過程就是催化劑的表面光敏化。表面光敏化的催化劑目前有勞氏紫、葉酸綠、玫瑰紅、曙紅、釕吡啶類絡(luò)合物等。

5 結(jié)語

二氧化鈦光催化劑具有強氧化性，能處理有機污染物，在環(huán)境處理方面有十分出色的效果，這使得二氧化鈦具有非?？捎^的前景，吸引了廣泛的關(guān)注研究。但是如何提高TiO2的光催化效率，降低環(huán)境治理的成本是十分重要的問題。

目前研究TiO2光催化劑改性的方法及改性的機理具有重要的理論和實踐意義。進一步研究工作的應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面考慮:(1)進一步研究如何在利用太陽光的同時提高光量子效率;(2)進一步提高TiO2光催化劑的回收利用率；(3)嘗試新的修飾體系，如嘗試石墨烯或者氧化石墨烯等材料修飾。

致謝

本工作由西藏大學(xué)青年科研培育基金項(CO小分子在氧化鈦納米團簇表面的催化機理研究，ZDPJZK1501），西藏大學(xué)高層次人才引進科研啟動基金(過渡金屬氧化物團簇催化性質(zhì)的研究)，西藏自治區(qū)高校青年教師創(chuàng)新支持計劃(西藏太陽能高效利用的光電轉(zhuǎn)換材料的基礎(chǔ)研究，QC2015-24）資助。

[1]高麗麗，于小迪，劉麒等，改性TiO2光催化氧化在水處理中的研究進展[J].環(huán)境科技，2013,26(5)：63-66.

[2]陳印，馬曉軍等，改性TiO2負載活性碳纖維的研究進展[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2014(4)：40-44.?

吳琪（1988-）女，漢，山東省濟寧市人，博士，講師，研究方向：材料物理。