TiO2材料光催化的研究

何美姿 金卫涛 杨海龙 闫思琦

摘   要：TiO2光催化材料以其环境友好这一优势成为当今世界的研究热门。如今TiO2材料早已普遍用于涂料制作、生活生产等诸多领域。但是，其自身在光反应中因存在团聚现象而大大降低了光的反应活性。因此，为了解决自身缺陷，更多研究者对其进行表面改性。研究发现，改性后的TiO2不仅自身无毒，还有优异的光催化活性，能有效避免团聚现象，降低催化成本，并且拓展了其应用。研究表明，在污水处理和大气污染方面，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决存在的环境问题。

关键词：光催化;TiO2;TiO2负载;污水降解;绿色环保

近年来，随着建筑行业、涂料染料行业以及各种化学制品行业的兴起，环境问题日益凸显，加上人们对环境要求的提高以及倡导绿色产品的呼声越来越高，如何保证正常的生产和绿色环保之间的平衡变得刻不容缓。TiO2是一种环境友好型半导体材料，具有高活性、高稳定性、无毒安全等优势，在现代污染控制领域得到了广泛应用[1]，不仅可以在生产过程中做到无毒无害，满足人们对绿色环保的要求，而且可以广泛应用于涂料、食品添加剂、化妆品等必不可少的行业。随着现代科学技术的进步，如何将TiO2光催化技术发展得更加完善成为当今世界研究的热点。

1    TiO2材料光催化的研究背景

20世紀70年代，半导体光催化技术在各种因素的推动下诞生，并且以雨后春笋般的速度蓬勃发展起来。光催化技术在现代污染控制领域具有较好的发展前景，对于特定的污染物和污染体系的处理技术也实现了局部辅助处理的产业化[2]。基于现状，研究学者发现，适合用作光催化的材料有很多，包括TiO2、ZnO以及部分银盐等，但基本都有一个缺点：存在损耗，而且大部分对人体都有一定的毒害。研究结果显示，TiO2是所知的最有应用价值的光催化材料。所以，研究学者对TiO2用作光催化材料进行了大量的研究。

2    TiO2材料自身的研究与发展

2.1  单一TiO2材料的研究

纳米TiO2是一种新兴高性能材料，通常为白色疏松粉末的形态，其粒子尺寸在1～100 nm，与常规材料相比具有非常好的性能，因此在现代社会中有着十分广泛的应用[3]。TiO2存在金红石、锐钛矿和板钛矿3种形态。

作为环境友好型半导体材料，TiO2不仅具有绿色安全、无毒无害、稳定性高以及催化性能好等优点，而且能够被广泛应用于解决当今刻不容缓的环境问题，是当今世界研究的热点。虽然TiO2作为光催化剂优点很多，但其在实践中存在两面性，比如在光降解过程中团聚现象较为严重、对光的利用率不高以及回收和分离困难等。为了让TiO2光催化材料能够广泛地应用在各个方面，发挥出特有的环境友好型半导体材料的优势，研究学者在TiO2光催化材料的基础上对其进行表面改性以及负载等，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具有很高的化学稳定性、原料易得且无毒等优点，被广泛应用于各行各业，但纳米级别的TiO2在光降解过程中团聚现象比较严重，而且容易在阳光照射或者紫外线照射的情况下失活，从而导致对光的利用效率较低[4]。各国研究学者们针对此情况进行了大量实验得出，在TiO2材料使用之前，对其进行表面改性会得到很好的效果。

基于TiO2的表面改性方法大体上可以分为无机表面改性和有机表面改性。无机表面改性主要包括无机化合物包覆、离子掺杂法、金属沉积法和强酸修饰法，有机表面改性主要包括偶联剂法、表面活性剂法、有机聚合物包覆法、光敏化法以及高能量表面处理法[5]。

经过改性后的TiO2光催化材料不仅突出了良好的化学稳定性、较高的活性以及无毒无害等优点，而且降低了光催化的成本，使光催化反应扩展到可见光条件下，同时不影响其紫外光谱条件下的催化活性，提高了材料对可见光的整体利用率[6]，还可以有效减少纳米TiO2团聚现象的发生，提高TiO2的分散性能、增加比表面积。经过改性后的TiO2材料大大提高了使用效率，如何更好地对其进行改性成为研究者感兴趣的话题之一。

2.3  负载型TiO2材料的研究

鉴于TiO2光催化材料的广泛应用及存在的优缺点，单进行表面改性虽然能解决TiO2团聚问题和整体利用率较低的问题，但TiO2作为一种催化剂，其在反应之后存在分离和回收困难的问题。针对这一现状，各国研究学者又提出负载型TiO2，从而满足各行各业生产对TiO2的需求。

目前，常用的TiO2光催化剂载体主要有玻璃类、陶瓷类、吸附剂类和金属类[7]。

经过改进后的负载型TiO2光催化材料，密度较之前小，甚至可以<1.0 g/cm3，研究表明，修饰后的TiO2材料漂浮在水面上，有利于回收和分离，并且可以增加催化剂的使用寿命。虽然经过改进后的负载型TiO2可以有效地改善催化剂的分离与回收问题，但是负载型TiO2的光催化性能都会有一定程度的下降，因此，找到既能实现催化剂固载化，又能保持原来光催化性能不下降的方法是当前重要的研究方向。

3    TiO2材料光催化的应用领域

3.1  TiO2光催化在污水污染方面的应用

近年来，随着纺织行业以及化妆品行业的发展，由于各种染料用水、个人护理用水和生产用水等产生大量废水并被排放到河流中，对人们的身体健康以及生活质量产生了严重的威胁，人们尤为重视水污染问题，但是如今传统的处理方法并不能很好地解决日益严重的水污染问题，近年来，用半导体光催化技术处理废水的方法被提出[8]。

半导体光催化技术可以用来处理水中的无机污染物以及有机污染物。水中的无机污染物不仅会引起水体污染，还会通过食物链传递到人体内，有机污染物以毒性和使水中溶解氧减少的形式对生态系统产生影响，危害人体健康。在降解过程中，可以在明确水位的同时设置可靠的填充性反应介质，拦截污染羽状体，污染羽状体经过反应介质区时可以和反应介质充分接触，地下水中的污染物可以和反应区内的介质发生物理、生物和化学反应，经过降解作用将污染物去除，保证污染物的质量浓度降低到质量标准内[9]。为了将TiO2光催化技术更好地应用于水污染处理，完善TiO2光催化材料成为当今研究学者的重要任务。

3.2  TiO2光催化在大气污染方面的应用

伴随着经济的快速发展，环境问题无法避免，各行各业的迅速发展导致空气质量差、雾霾严重以及道路可见度低等问题。TiO2作为一种半导体光催化剂，有易回收、不产生二次污染的环保安全特性，故而在大气污染的防控和治理中有着广泛的应用前景[10]。

21世纪，人们面临的最严峻的环境问题之一便是温室效应，而造成温室效应的一个主要因素就是机动车尾气的排放。针对如今越来越不可控的大气污染问题，各国研究者也提出了研究对策。目前，贵金属三相催化剂是处理汽车尾气的主要方法，该方法虽然有很高的催化转化效率，但是也存在成本较高、有毒性等缺点。新型的TiO2光催化技术能够有效降解汽车尾气中的主要污染物，是一种有着广泛应用前景的汽车尾气处理技术[10]，比如TiO2光催化技术已被用来降低空气中的NO质量浓度，不仅能够很好地降解大气中的大部分有害污染物，而且还具有成本较低、不会产生二次污染以及无毒无害的优点。TiO2光催化技术在处理大气污染方面的应用正在快速发展，希望有一天可以应用此项无毒无害的技术解决当今世界所共同面对的大气污染问题。

4    结语

TiO2光催化材料凭借着自身的高活性、高稳定性、原料易得且廉价、较高的可塑性以及绿色环保优势，在人们对绿色环保要求更加严格的情况下，在光催化材料中脱颖而出。不仅本身具有无毒无害、稳定性好、活性高等优点，还能够被广泛应用于各个领域，备受关注。如何将TiO2材料更好地应用于污染物降解已经成为当今世界的研究热点。展望未来，基于TiO2的研究将会持续进行下去，并且逐渐满足人们的需求，发展前景光明。

[参考文献]

[1]吴声敢，赵学平，苍 涛，等.纳米二氧化钛在农药领域的研究进展[J].浙江农业科学，2016，57（5）：669-674.

[2]李 鵬，樊少峰，康小华.二氧化钛光催化在现代污染控制中的应用[J].广东化工，2017，44（18）：110-111.

[3]徐斌海.光催化纳米二氧化钛材料及其应用的探讨[J].科学技术创新，2019（16）：60-61.

[4]刘 标，高延敏，高 洋，等.纳米二氧化钛表面改性及其光催化性能研究[J].沈阳化工大学学报，2017，31（3）：218-222.

[5]武海燕.二氧化钛表面改性的研究现状[J].中国科技信息，2011（24）：54-56.

[6]曾祥蕊，卫 静，刘 欣.TiO2光催化剂改性研究进展[J].环境保护与循环经济，2019（8）：28-31.

[7]李小红，郑旭煦，侯苛山.负载型二氧化钛光催化剂的研究进展[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2009，26（2）：105-108.

[8]林 婵.TiO2纳米材料的制备、改性及其光催化性能研究[D].青岛：中国海洋大学，2014.

[9]葛宝义.纳米二氧化钛光催化及其在污水处理中的应用[J].石化技术，2016（6）：13.

[10]吕 鲲，张庆竹.纳米二氧化钛光催化技术与大气污染治理[J].中国环境科学，2018，38（3）：852-861.