二氧化钛光催化剂改性研究进展

2017-03-06吴琪西藏大学理学院西藏自治区西藏拉萨850000

化工管理 2017年33期

吴琪(西藏大学理学院，西藏自治区西藏拉萨850000)

二氧化钛光催化剂改性研究进展

吴琪(西藏大学理学院，西藏自治区西藏拉萨850000)

TiO2光催化材料，因为其具有较高的催化活性，稳定的化学性质，成为当前的研究热点。本文重点探讨了改性TiO2光催化剂的研究进展，对金属掺杂、复合半导体、贵金属沉积、光敏化等四种方法分别进行深入的分析研讨。研究结果表明这四种方式都能有效地提高二氧化钛的光催化活性。

TiO2；光催化；光催化改性

1972年，Fujishima和Honda[1]发现光电池中光照射的TiO2可持续发生水的氧化还原反应产生H2。这一开创性的工作标志着以TiO2为代表的半导体光催化剂开始发展起来。TiO2独特的光学性能，电学性能以及催化性能，使其在污水处理、空气净化、光解水制氢和染料敏化太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。

半导体的光催化特性是由它的特殊能带结构所决定。但是，TiO2具有较大的禁带宽度(3.2 eV)，只能吸收波长λ≤387nm的紫外光，不能有效地利用太阳能，光催化或能量转换效率偏低，使它的应用受到限制。因此对TiO2的改性研究，通过调控禁带带宽的调控，扩大它的光响应范围，仍是十分重要的研究课题。目前，TiO2光催化剂的改进方法有很多，比如贵金属沉积、离子掺杂、半导体复合、表面修饰等。

1 金属离子的掺杂

金属离子的掺杂本质上是通过把一定量的杂质离子（主要指的是过渡金属离子和一些稀土离子，如掺杂Zn,Fe,Mo,Ru等）引入到TiO2晶格的中间，从而来影响TiO2内部载流子的一系列过程，来改变TiO2的光催化效果。由于钛元素属于过渡金属元素，容易形成光生电子空穴对的浅势捕获阱，有效的降低了电子和空穴的复合概率。

2 复合半导体

半导体的复合利用两种不同的半导体的能级差可以有效的提高电荷分离，即利用窄带隙的半导体敏华宽带隙的半导体TiO2，从而扩展TiO2的吸收光谱范围。在光照的激发下，复合的窄带隙半导体受光激发时，半导体与TiO2同时产生电子跃迁。由于光子的能量比TiO2中的禁带宽度小，却比复合的窄带隙半导体的禁带宽度大，使得光生电子聚集在TiO2的导带，而空穴则留在复合半导体的价带中，这种电子的迁移，十分大的程度上降低了光生电子空穴的复合概率，进而提高了材料的光催化效率。常见的半导体复合体系有ZrO2/TiO2,WO3/TiO2,CdS/TiO2,SnO2/TiO2等。

3 贵金属沉积

金属与半导体具有不同的费米能级,贵金属沉积在TiO2表面能够改变TiO2的电子分布。通常，贵金属的费米能级要比TiO2的费米能级高，为了使两者混合时费米能级能够保持一致，维持系统的平衡，所以费米能级低的TiO2中的电子会持续向更高的费米能级移动，直到贵金属的费米能级和TiO2的费米能级不存在能级差。贵金属和TiO2混合会形成一种空间电荷层，电荷层中电子将会向贵金属表面移动，吸附氧速率也因载流子的速率提高而得到了相应的提高。

4 表面光敏化

在TiO2中掺杂了一定量的光活性化学物质，扩大二氧化钛激发波长的范围。因此常常通过物理或者化学的方法在TiO2表面添加光敏化剂,这些物质在可见光下的激发态电势比TiO2导带电势更负,激发产生的电子进入TiO2导带,在TiO2中产生载流子的过程。通过物理吸附方法或者化学吸附的方法，使光活性化合物吸附在催化剂的表面从而使吸收波长范围发生红移，这个过程就是催化剂的表面光敏化。表面光敏化的催化剂目前有劳氏紫、叶酸绿、玫瑰红、曙红、钌吡啶类络合物等。