張 婷， 閆學(xué)亞*， 袁海芳， 劉麗娜

(1.鄂爾多斯市安信泰環(huán)?？萍加邢薰?，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;2.鄂爾多斯市文化旅游發(fā)展集團(tuán)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

引 言

光催化氧化法是利用氧化物的半導(dǎo)體，在光的照射下吸附光子，進(jìn)行氧化反應(yīng)，將化合物分解為二氧化碳、水和無(wú)機(jī)鹽。光催化技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，是1972年日本科學(xué)家Fujishima和Honda在一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)TiO2電極具有光敏作用[1]，光照下可以在TiO2電極上分解出H2和O2，該學(xué)術(shù)的發(fā)現(xiàn)立即引起了國(guó)際眾多學(xué)者的關(guān)注，并掀起了研究光催化的熱潮。目前，TiO2光催化反應(yīng)已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)水和氣相有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物的光催化去除方面取得較大進(jìn)展。由于TiO2半導(dǎo)體光催化具有速度快、無(wú)選擇性、降解完全等優(yōu)點(diǎn)，又在價(jià)廉、無(wú)毒、可以長(zhǎng)期使用等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的化學(xué)氧化方法，在環(huán)境污染治理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 TiO2的制備方法

二氧化鈦的制備方法有液相法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)方法等。采用不同的工藝方法，制備出成分、結(jié)構(gòu)不同的TiO2催化劑。

1.1 氣相法

氣相法是在高溫下對(duì)TiCl4進(jìn)行氧化來(lái)制備TiO2的方法。氣相法因其活性高，常被用來(lái)作為光催化劑的參照標(biāo)準(zhǔn)。該方法所制備的TiO2粉體一般是金紅石型和銳鈦礦型的混合物。

TiCl4氣相氧化法來(lái)制備TiO2納米粒子，化學(xué)方程式見(jiàn)式(1)。

(1)

此工藝目前處于實(shí)驗(yàn)室階段，要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，還需要解決反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。該工藝自動(dòng)化程度高，可以節(jié)省大量的人力和物力，且制得的產(chǎn)品性能比較好。

1.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是一種以鈦醇鹽為原料，通過(guò)鈦醇鹽和酸獲得液體，進(jìn)而得到凝膠的過(guò)程。這種工藝方法制備的樣品純度高，顆粒均勻。廣泛用于玻璃、陶瓷等領(lǐng)域。其化學(xué)反應(yīng)方程式見(jiàn)式(2)～式(5)。

水解:

(2)

縮聚(失水):

(3)

縮聚(失醇):

(4)

總反應(yīng):

(5)

此法所制備的二氧化鈦粒子因其鈦醇鹽與水的比例以及pH、反應(yīng)時(shí)間、攪拌時(shí)間、煅燒時(shí)間等變化存在差異。其中，最關(guān)鍵的一步就是控制水解、縮聚的反應(yīng)速度，只有把水解速度控制到一定反應(yīng)條件，才會(huì)得到透明的膠體。此方法自身缺點(diǎn)為，原料成本高，凝膠干燥過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂和縮聚現(xiàn)象，使得制備的產(chǎn)物發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，并且，所制得的樣品光催化活性相對(duì)低。

1.3 水熱法

水熱法是在高壓釜中采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，在高壓、高溫的反應(yīng)環(huán)境中，使難溶或不溶物質(zhì)溶解并且重結(jié)晶得到納米TiO2。

Kei Inumaru等[2]在酸性條件下，采用水熱法，以鈦酸異丙醇為原料，硝酸為酸化劑來(lái)調(diào)節(jié)乙醇水溶液的pH至7.0，240 ℃下恒溫4 h，通過(guò)控制鈦醇鹽的使用量來(lái)調(diào)節(jié)納米TiO2粒子的粒徑。

Shi等[3]直接將二氧化鈦粉末分散在氫氧化鈉溶液中，在150 ℃～2 000 ℃下恒溫反應(yīng)24 h～72 h，制備了不同形狀的納米TiO2光催化劑。

1.4 水解法

水解法是將TiCl4溶液稀釋到一定的濃度，再加入少量稀硫酸溶液作為添加劑來(lái)抑制TiCl4溶液的水解，然后，在磁力攪拌條件下沸騰回流，可得到銳鈦礦型納米TiO2。

陳愛(ài)平等[4]用硫酸氧鈦為原料，通過(guò)熱水解法來(lái)制備納米TiO2光催化劑，考察了不同溫度條件下進(jìn)行熱處理納米TiO2光催化劑的性能變化。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)160 ℃熱處理的TiO2光催化劑，其晶型為銳鈦礦和無(wú)定型的混合型，活性和P-25的活性差不多。

2 二氧化鈦光催化劑的應(yīng)用領(lǐng)域

二氧化鈦光催化劑制備工藝的不斷改進(jìn)，其自身具有獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)及物理性質(zhì)，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，抗光腐蝕、耐酸堿腐蝕，而且無(wú)毒、價(jià)廉，已被廣泛應(yīng)用于催化劑、傳感器、涂料等行業(yè)。在催化劑行業(yè)主要應(yīng)用其凈化技術(shù)。

2.1 TiO2在污水處理方面的應(yīng)用

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。目前，許多物理和化學(xué)方法能達(dá)到消除水中污染物、殺死細(xì)菌的目的，但是過(guò)程多會(huì)用到強(qiáng)氧化劑氯氣、次氯酸鈉、過(guò)氧化氫等，這些強(qiáng)氧化劑的使用，又增加了水體的二次污染。且廢水的來(lái)源和成分不同，導(dǎo)致很多催化劑達(dá)不到污染物降解的目的。TiO2光催化劑[5]能夠處理那些傳統(tǒng)方法不易處理的有機(jī)廢水。劉佳玉等[6]采用Fe3+-N-二氧化鈦填料在日光照射下光催化處理微污染水源水，結(jié)果表明，F(xiàn)e3+-N-二氧化鈦填料對(duì)化學(xué)需氧量(CODMn)和氨基氮(NH4-N)的去除率分別達(dá)到59%和75%。

2.2 TiO2在空氣凈化方面的應(yīng)用

近年來(lái)，環(huán)境空氣的污染日益嚴(yán)重。家庭裝修中的甲醛、汽車(chē)排放的氮氧化物 ，對(duì)人的身體產(chǎn)生了極大的危害。吸附法、化學(xué)法等一些傳統(tǒng)處理方法存在一定的缺陷。二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N新型光催化材料，近幾年在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。日本三菱公司研發(fā)的TiO2和無(wú)機(jī)黏合劑構(gòu)成的催化劑可以有效去除室內(nèi)環(huán)境有害氣體。但是，現(xiàn)在二氧化鈦在利用太陽(yáng)光方面還有一定弊端，需要研究者深度地探究來(lái)改變這一缺陷。

2.3 TiO2在抗菌方面的應(yīng)用

細(xì)菌生存能力強(qiáng)，嚴(yán)重影響著人類(lèi)的身體健康。二氧化鈦光催化劑在抑制和殺死細(xì)菌方面起到極重要的作用。TiO2抗菌原理：在紫外光照射下，TiO2會(huì)產(chǎn)生大量的空穴，空穴會(huì)利用其自身的強(qiáng)氧化性與細(xì)胞的一些組分發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而殺死細(xì)菌。和其他殺菌劑相比，TiO2殺菌效果突出，它的優(yōu)點(diǎn)在于不僅可以殺死細(xì)菌，還可以降解細(xì)菌釋放的有害物質(zhì)；它的強(qiáng)氧化性羥基自由基可以破壞細(xì)菌的生存環(huán)境，來(lái)抑制細(xì)菌的繁殖，降低環(huán)境微生物對(duì)人體的危害，而且可以重復(fù)利用。

2.4 TiO2在自清潔方面的應(yīng)用

二氧化鈦在自清潔方面的應(yīng)用主要有汽車(chē)玻璃、窗戶、外墻、眼鏡等。二氧化鈦附著在玻璃表面，通過(guò)吸附降低有機(jī)物、無(wú)機(jī)物濃度，并且通過(guò)雨水的沖洗達(dá)到清潔玻璃的目的。

3 未來(lái)的研究方向

目前，二氧化鈦光催化劑在制備和應(yīng)用階段取得了很大的進(jìn)展，但是在一些技術(shù)方面還存在很大的問(wèn)題，未來(lái)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1) 需要制備高效率的光催化劑，提高催化劑活性；

2) 選擇合適的催化劑載體，研究催化劑的固定技術(shù)；

3) 設(shè)計(jì)更加高效、實(shí)用的催化反應(yīng)器；

4) 研究性能更好的高熱穩(wěn)定TiO2，提高對(duì)太陽(yáng)光的利用率；

5) 納米半導(dǎo)體光催化劑材料的制備成本較高，短時(shí)間內(nèi)難以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，需要研究者研發(fā)出經(jīng)濟(jì)高效的二氧化鈦催化劑，使其能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。