何美姿 金衛(wèi)濤 楊海龍 閆思琦

摘 ? 要：TiO2光催化材料以其環(huán)境友好這一優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)今世界的研究熱門。如今TiO2材料早已普遍用于涂料制作、生活生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。但是，其自身在光反應(yīng)中因存在團(tuán)聚現(xiàn)象而大大降低了光的反應(yīng)活性。因此，為了解決自身缺陷，更多研究者對(duì)其進(jìn)行表面改性。研究發(fā)現(xiàn)，改性后的TiO2不僅自身無毒，還有優(yōu)異的光催化活性，能有效避免團(tuán)聚現(xiàn)象，降低催化成本，并且拓展了其應(yīng)用。研究表明，在污水處理和大氣污染方面，改性后的TiO2具有很高的催化活性，期待在以后的研究中可以有效解決存在的環(huán)境問題。

關(guān)鍵詞：光催化;TiO2;TiO2負(fù)載;污水降解;綠色環(huán)保

近年來，隨著建筑行業(yè)、涂料染料行業(yè)以及各種化學(xué)制品行業(yè)的興起，環(huán)境問題日益凸顯，加上人們對(duì)環(huán)境要求的提高以及倡導(dǎo)綠色產(chǎn)品的呼聲越來越高，如何保證正常的生產(chǎn)和綠色環(huán)保之間的平衡變得刻不容緩。TiO2是一種環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料，具有高活性、高穩(wěn)定性、無毒安全等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代污染控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，不僅可以在生產(chǎn)過程中做到無毒無害，滿足人們對(duì)綠色環(huán)保的要求，而且可以廣泛應(yīng)用于涂料、食品添加劑、化妝品等必不可少的行業(yè)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，如何將TiO2光催化技術(shù)發(fā)展得更加完善成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)。

1 ? ?TiO2材料光催化的研究背景

20世紀(jì)70年代，半導(dǎo)體光催化技術(shù)在各種因素的推動(dòng)下誕生，并且以雨后春筍般的速度蓬勃發(fā)展起來。光催化技術(shù)在現(xiàn)代污染控制領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景，對(duì)于特定的污染物和污染體系的處理技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了局部輔助處理的產(chǎn)業(yè)化[2]。基于現(xiàn)狀，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，適合用作光催化的材料有很多，包括TiO2、ZnO以及部分銀鹽等，但基本都有一個(gè)缺點(diǎn)：存在損耗，而且大部分對(duì)人體都有一定的毒害。研究結(jié)果顯示，TiO2是所知的最有應(yīng)用價(jià)值的光催化材料。所以，研究學(xué)者對(duì)TiO2用作光催化材料進(jìn)行了大量的研究。

2 ? ?TiO2材料自身的研究與發(fā)展

2.1 ?單一TiO2材料的研究

納米TiO2是一種新興高性能材料，通常為白色疏松粉末的形態(tài)，其粒子尺寸在1～100 nm，與常規(guī)材料相比具有非常好的性能，因此在現(xiàn)代社會(huì)中有著十分廣泛的應(yīng)用[3]。TiO2存在金紅石、銳鈦礦和板鈦礦3種形態(tài)。

作為環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料，TiO2不僅具有綠色安全、無毒無害、穩(wěn)定性高以及催化性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠被廣泛應(yīng)用于解決當(dāng)今刻不容緩的環(huán)境問題，是當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)。雖然TiO2作為光催化劑優(yōu)點(diǎn)很多，但其在實(shí)踐中存在兩面性，比如在光降解過程中團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重、對(duì)光的利用率不高以及回收和分離困難等。為了讓TiO2光催化材料能夠廣泛地應(yīng)用在各個(gè)方面，發(fā)揮出特有的環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)，研究學(xué)者在TiO2光催化材料的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行表面改性以及負(fù)載等，并取得了很好的研究成果。

2.2 ?表面改性的TiO2材料的研究

TiO2具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、原料易得且無毒等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但納米級(jí)別的TiO2在光降解過程中團(tuán)聚現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而且容易在陽光照射或者紫外線照射的情況下失活，從而導(dǎo)致對(duì)光的利用效率較低[4]。各國研究學(xué)者們針對(duì)此情況進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)得出，在TiO2材料使用之前，對(duì)其進(jìn)行表面改性會(huì)得到很好的效果。

基于TiO2的表面改性方法大體上可以分為無機(jī)表面改性和有機(jī)表面改性。無機(jī)表面改性主要包括無機(jī)化合物包覆、離子摻雜法、金屬沉積法和強(qiáng)酸修飾法，有機(jī)表面改性主要包括偶聯(lián)劑法、表面活性劑法、有機(jī)聚合物包覆法、光敏化法以及高能量表面處理法[5]。

經(jīng)過改性后的TiO2光催化材料不僅突出了良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的活性以及無毒無害等優(yōu)點(diǎn)，而且降低了光催化的成本，使光催化反應(yīng)擴(kuò)展到可見光條件下，同時(shí)不影響其紫外光譜條件下的催化活性，提高了材料對(duì)可見光的整體利用率[6]，還可以有效減少納米TiO2團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，提高TiO2的分散性能、增加比表面積。經(jīng)過改性后的TiO2材料大大提高了使用效率，如何更好地對(duì)其進(jìn)行改性成為研究者感興趣的話題之一。

2.3 ?負(fù)載型TiO2材料的研究

鑒于TiO2光催化材料的廣泛應(yīng)用及存在的優(yōu)缺點(diǎn)，單進(jìn)行表面改性雖然能解決TiO2團(tuán)聚問題和整體利用率較低的問題，但TiO2作為一種催化劑，其在反應(yīng)之后存在分離和回收困難的問題。針對(duì)這一現(xiàn)狀，各國研究學(xué)者又提出負(fù)載型TiO2，從而滿足各行各業(yè)生產(chǎn)對(duì)TiO2的需求。

目前，常用的TiO2光催化劑載體主要有玻璃類、陶瓷類、吸附劑類和金屬類[7]。

經(jīng)過改進(jìn)后的負(fù)載型TiO2光催化材料，密度較之前小，甚至可以<1.0 g/cm3，研究表明，修飾后的TiO2材料漂浮在水面上，有利于回收和分離，并且可以增加催化劑的使用壽命。雖然經(jīng)過改進(jìn)后的負(fù)載型TiO2可以有效地改善催化劑的分離與回收問題，但是負(fù)載型TiO2的光催化性能都會(huì)有一定程度的下降，因此，找到既能實(shí)現(xiàn)催化劑固載化，又能保持原來光催化性能不下降的方法是當(dāng)前重要的研究方向。

3 ? ?TiO2材料光催化的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 ?TiO2光催化在污水污染方面的應(yīng)用

近年來，隨著紡織行業(yè)以及化妝品行業(yè)的發(fā)展，由于各種染料用水、個(gè)人護(hù)理用水和生產(chǎn)用水等產(chǎn)生大量廢水并被排放到河流中，對(duì)人們的身體健康以及生活質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅，人們尤為重視水污染問題，但是如今傳統(tǒng)的處理方法并不能很好地解決日益嚴(yán)重的水污染問題，近年來，用半導(dǎo)體光催化技術(shù)處理廢水的方法被提出[8]。

半導(dǎo)體光催化技術(shù)可以用來處理水中的無機(jī)污染物以及有機(jī)污染物。水中的無機(jī)污染物不僅會(huì)引起水體污染，還會(huì)通過食物鏈傳遞到人體內(nèi)，有機(jī)污染物以毒性和使水中溶解氧減少的形式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康。在降解過程中，可以在明確水位的同時(shí)設(shè)置可靠的填充性反應(yīng)介質(zhì)，攔截污染羽狀體，污染羽狀體經(jīng)過反應(yīng)介質(zhì)區(qū)時(shí)可以和反應(yīng)介質(zhì)充分接觸，地下水中的污染物可以和反應(yīng)區(qū)內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生物理、生物和化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過降解作用將污染物去除，保證污染物的質(zhì)量濃度降低到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)[9]。為了將TiO2光催化技術(shù)更好地應(yīng)用于水污染處理，完善TiO2光催化材料成為當(dāng)今研究學(xué)者的重要任務(wù)。

3.2 ?TiO2光催化在大氣污染方面的應(yīng)用

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題無法避免，各行各業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致空氣質(zhì)量差、霧霾嚴(yán)重以及道路可見度低等問題。TiO2作為一種半導(dǎo)體光催化劑，有易回收、不產(chǎn)生二次污染的環(huán)保安全特性，故而在大氣污染的防控和治理中有著廣泛的應(yīng)用前景[10]。

21世紀(jì)，人們面臨的最嚴(yán)峻的環(huán)境問題之一便是溫室效應(yīng)，而造成溫室效應(yīng)的一個(gè)主要因素就是機(jī)動(dòng)車尾氣的排放。針對(duì)如今越來越不可控的大氣污染問題，各國研究者也提出了研究對(duì)策。目前，貴金屬三相催化劑是處理汽車尾氣的主要方法，該方法雖然有很高的催化轉(zhuǎn)化效率，但是也存在成本較高、有毒性等缺點(diǎn)。新型的TiO2光催化技術(shù)能夠有效降解汽車尾氣中的主要污染物，是一種有著廣泛應(yīng)用前景的汽車尾氣處理技術(shù)[10]，比如TiO2光催化技術(shù)已被用來降低空氣中的NO質(zhì)量濃度，不僅能夠很好地降解大氣中的大部分有害污染物，而且還具有成本較低、不會(huì)產(chǎn)生二次污染以及無毒無害的優(yōu)點(diǎn)。TiO2光催化技術(shù)在處理大氣污染方面的應(yīng)用正在快速發(fā)展，希望有一天可以應(yīng)用此項(xiàng)無毒無害的技術(shù)解決當(dāng)今世界所共同面對(duì)的大氣污染問題。

4 ? ?結(jié)語

TiO2光催化材料憑借著自身的高活性、高穩(wěn)定性、原料易得且廉價(jià)、較高的可塑性以及綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)，在人們對(duì)綠色環(huán)保要求更加嚴(yán)格的情況下，在光催化材料中脫穎而出。不僅本身具有無毒無害、穩(wěn)定性好、活性高等優(yōu)點(diǎn)，還能夠被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，備受關(guān)注。如何將TiO2材料更好地應(yīng)用于污染物降解已經(jīng)成為當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)。展望未來，基于TiO2的研究將會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去，并且逐漸滿足人們的需求，發(fā)展前景光明。

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