TiO2光催化材料的发展及其研究意义

张静

摘 要 光催化技术是一种新兴、节能、高效的现代绿色环保技术，光催化技术是在催化剂的作用下利用光辐射将污染物分解为无毒或毒性较低的物质的过程，在众多的光催化剂当中，TiO2以其优良的催化性能、稳定的化学性能、环保无毒、使用寿命长等优点而被广泛关注和使用。

关键词 TiO2光催化材料 发展前景 研究意义

1 TiO2光催化材料的发展及前景

1972年Fujishima和Honda发现受辐射的TiO2微粒上可使水发生持续的氧化还原反应，以此为契机，开始了多相催化研究的新纪元。20世纪90年代以来，TiO2光催化在环境保护领域内的水和气相有机、无机污染物的光催化去除方面取得了较大的进展，被认为是一种极具前景的环境污染深度净化技术。

制备TiO2的方法有很多，如液相制备方法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法等。采用不同的工艺方法，制备的二氧化钛的成分、结构、 取向以及二氧化钛薄膜的厚度等均有所差异。溶胶-凝胶法的生产成本低，镀膜所需温度也较低，是目前常用的TiO2薄膜制备方法之一，主要以Ti（OR）4为原料，在有机介质（多为乙醇）中通过水解、缩聚反应制得溶胶，然后用旋转涂覆法或者提拉法在基体上镀膜，通过干燥焙烧除去凝胶中剩余有机物和水分，即可得到TiO2薄膜。

TiO2是一种广泛应用的多功能材料，TiO2本身具有独特的光学、电学及物理性质，优异的化学稳定性，能够抗光腐蚀、耐酸碱腐蚀，而且无毒、价廉，已被广泛应用于涂料、化妆品、半导体、传感器、介电材料、催化剂等领域，其在实际应用中仍有着十分诱人的前景，为光催化技术在化学合成、污水处理、环境保护、太阳能利用等方面的实际应用奠定可靠的基础。TiO2是一种重要的宽禁带直接带隙半导体光电转换材料，广泛地用作为阳极催化分解水、太阳能电池等光化学以及光电子器件的功能材料。近年来，TiO2的超亲水性能越来越受到人们的关注，已经广泛应用于防雾自洁净等一系列产品中，今后还将被广泛应用于各种环保材料。半导体改性是改善TiO2 性能的关键因素，由于改性的研究涉及到催化、光化学、材料和环境等多个学科，具有相当的难度，国外已经围绕消除和减少达到超亲水性所需要的条件和提高超亲水性表面的稳定性进行了许多研究，取得了很大进展。要使超亲水涂料薄膜广泛地在实际生产中得到应用，需要继续研究各种改性技术，进一步提高其活性、稳定性和应用的可能性。

2 TiO2光催化材料存在的问题和研究意义

对TiO2光催化材料研究目前主要有两大方向，TiO2纳米粉体和TiO2纳米薄膜，均为纳米材料，但目前TiO2光催化材料离实际应用尚有一段距离，还存在下列问题：

（1）TiO2纳米粉体粒径小，颗粒活性高，储存和使用时易团聚，使其光催化活性降低；同时粉体在实际应用中，需与一定载体复合使用，否则分离、回收困难，而与一定载体复合，又使粉体催化活性有一定的降低。

（2）TiO2纳米粉和薄膜的光催化效率还很低。激发TiO2价带电子的光波（€%d≤387nm）仅占总太阳能的3%，光生空穴与电子的复合率较高，一般氧化钛基纳米材料的量子效率仍然仅在1%左右，经过改进的材料也不超过10%。光生电子的还原能力较弱，单位时间内处理的废水量小且浓度低。

（3）对TiO2薄膜进行离子掺杂是提高其光催化效率的一个重要途径，但目前离子掺杂改善光催化性能的研究并不完全，不同离子的最佳掺杂量尚不明确，掺杂量在一定范围内可能提高催化效率，但超过一定量，反而会加速电子-空穴的复合，从而降低光催化效率。对不同的离子掺杂的改善能力和改善机理尚不是很清楚。因此纳米TiO2光催化材料要达到实际应用还需在提高光催化活性方面做大量工作。

将二氧化钛光催化剂材料制备成薄膜以后，避免了很多纳米粉体材料易于出现的弊端，但是，目前制备二氧化钛薄膜的工艺尚不是很成熟。所以可以采用溶胶-凝胶法和旋涂工艺，以分析纯级钛酸丁酯、冰乙酸、乙酰丙酮、无水乙醇、去离子水为原料，制备二氧化钛薄膜。研究各原料组分在整个溶胶体系中的主要作用，以及调节各组分的配比，以求制备出均匀、稳定的溶胶；并研究溶胶的成膜工艺及薄膜的热处理工艺，制备出连续均匀薄膜。

目前阻碍纳米二氧化钛应用推广的主要障碍是反应的光催化效率不高，将纳米二氧化钛进行离子掺杂后制备薄膜，可以有效提高其光催化效率。所以可以选择不同价态且半径与Ti4+离子半径相当的离子对TiO2材料进行掺杂改性的研究，探究不同掺杂量以及不同离子的的掺入对TiO2光催化性能的影响。

参考文献

[1] K.Madhusudan Reddy，Sunkara V.Manorama，et al，Bandgap studies on anatase titanium dioxide nanoparticles，Material Chemistry and Physics 78（2002）：239-245.