提高二氧化钛光催化性能的途径研究

李晨雨 王俏俏 郭庆杰 李博文 叶晖

【摘  要】二氧化钛是一种化学物质，它具有特殊的光催化性能。二氧化钛是一种新型半导体材料，因其具有优良的光催化特性，在太阳能储存与利用、光电转换、光致变色及光催化降解大气和水中污染物等诸多方面具有广阔的应用前景。自1972年人们发现这种材料能够降解环境中的有害有机物生成二氧化碳和水，并且能够氧化去除大气中的低浓度的氮氧化物和含硫化合物等有毒气体，杀菌、除臭之后，有关于二氧化钛的研究就越来越多了。本文，将对提高二氧化钛催化性能的几种途径进行研究，以求在以后的生活中更好的应用这种物质，改善环境，提升生活品质。

【关键词】二氧化钛;光催化;途径研究

引言

二氧化钛（tio2）化学性质稳定、无毒、不可再生且不昂贵，是理想的半导体光催化剂。在自然界中，tio2有三种晶体结构：金红石、锐钛矿和水镁石。前期是稳定期，随后是不稳定期，二氧化钛的晶型对催化活性的提高起着重要的作用。研究表明，该麻醉剂具有灯泡型光催化波形，在三种晶型中，部分含有光催化剂1～1。tio2是一种新型的半导体材料。它已被证明广泛应用于太阳能转换和储存、紫外线防护、光色谱、废水处理、空气处理、细菌销毁等领域，减少二氧化碳和分解有害和复杂的有机物质。近年来，基础研究和应用研究文件的数量急剧增加，其内容主要侧重于光导特性研究。由于纳米-tio2光电催化作用的特点，它在环境保护方面的应用展现了广阔而有吸引力的前景，研究和开发纳米tio2光催化氧化的特性已成为各国研究人员密切关注的热点。

1.二氧化钛光催化机理

（1）tio2禁区宽度为3.2电子伏特。当它吸收波长小于或等于387.05纳米的光子时，价区内的电子将被激发到传导区，形成负电荷的高活性e，同时，在价带正电荷空穴的产生。在电子场和空穴的作用下，粒子表面的位置会被分离并迁移到不同的位置。热力学理论表明，H是分布在表面的，可以吸附在tio2表面的OH，但氧化为基，对顺磁共振的研究也证明了在tio2表面的水大量的基，在水中存在的氧化剂中，OH基的氧化能力是最强大的，并且可能会严重氧化。大多数有机污染物和某些无机污染物最终会分解成无害物质，如CO和HO，而OH对试剂几乎没有选择性，因此在光催化氧化中起着决定性作用。

（2）此外，许多有机化合物的氧化潜力大于tio2价带的负值，而且还可以直接氧化h±o。tio2表面上的高活度e具有很强的再生能力，可在水中去除金属离子。

2.提高纳米二氧化钛光催化性能的主要方法

tio2的使用也有其局限性;被禁区的宽度约为3.2电子伏特，激发电子空穴蒸汽需要载体的复合速度非常高，通常发生在微微秒和毫微秒，在刻度范圍内，光催化活动较少;利用率尤其是可见光相对较低。因此，产生高活性光催化剂的关键是减少光生成电子和空穴的复合概率，并扩大可见光的吸收范围。目前，主要采用稀土合金和过渡金属合金等方法来改善光电催化特性，贵金属的沉积、复合半导体、有机染料的光敏化和tio2纳米芯片的产生。其中最突出的是对经掺杂修改的tio2光催化特性的研究。

2.1稀土元素掺杂

稀土元素在光学、电子学和催化剂中广泛应用，稀土元素的极端电子的位置基本相同，加上它们在周期表中相邻，所以它们的性质相对相似，他们显示了一个规律性的逐步变化。大多数的价元素有+3，有些有+2或+4的价，因为4f层将是半满的，一个完整的或完全空的状态，很容易获得或丢失电子。根据各种创造氧气空缺的方法，稀土合金元素和二氧化钛晶格的效应可以分为两类。一种是掺入一价或价+3的稀土离子元素，如Gd3+、Y3+、La3等。D.这些离子衍射成晶格，代替钛离子，产生氧气空位，因此，它有助于鲁基拉相的相转化和晶粒增长，并影响二氧化钛的光催化活动。另一种类型是掺入的稀土离子交换元素，由于稀土离子的半径通常大于钛离子的半径，当合金离子或其氧化或还原状态扩散到钛的二氧化钛晶格中时，它们会引起晶格的更大扭曲和扩张。研究表明，紫外线-可见吸收稀土元素掺入的纳米tio2粉末有红偏移，这表明，稀土元素的掺杂有助于吸收可见光和催化剂中的电荷载体产生，从而改善光催化活动。

2.2过渡金属掺杂

金属离子掺杂可在tio2晶格中造成缺陷或改变结晶性，从而影响光生电子和空穴的复合，因此，它的光催化活性受到影响。崔等人系统地研究了金属离子掺杂的tio2 21种纳米晶体，发现金属离子掺杂在0.1%至0.0%的栅格中的比重很大。

2.3 贵金属沉积

研究表明，贵金属沉积在tio2表面，相当于tio2，表面形成了一个与tio2和惰性金属作为电极的短路微型电池组。由电极吹制的H【化】可将有机物质氧化成液相，而e【化】从而降低了e复合的可能性，并提高了催化剂的活性。因此，通常使用的贵金属Pt、Pd、Ag、Au、Ru等。在tio2表面，它可以有效地提高其光催化活性和反应效率。

2.4 复合半导体

半导体的化合物是指两种类型的半导体与连续禁带的结合响应范围。因此，半导体化合物也是提高光电催化效率的有效途径，目前，一般的复合系统主要包括：tio2-SNO，tio22-V，0，tio2-WO，tio2-ZRO等。tio2的光催化活性几乎可以通过半导体的耦合来提高。

2.5制备成tio2纳米管

催化剂比表面的增厚可提高其光催化活性。系统的比表面越大，反应面积就越大，从而促进分解产物的吸附并提高光催化反应的速度和效率。因此，在具有相应厚度的纳米管中获得tio2将增加系统的单位表面，并改善tio2的光催化活动。Shao Ying等人的研究表明，解剖学型tio2是用多孔氧化铝作为温度准备的。纳米管由许多非常小的tio2纳米粒子组成。在气流中，tio2对十二氯苯磺酸钠的光催化分解具有很高的光催化活性。

2.6研发稳定的紫外线光源

二氧化钛光催化的重要物质之一是紫外线，目前在进行二氧化钛光催化的时候，太阳能和电光源主要提供的紫外线光源，这两种光源各有优缺点，在进行稳定催化的时候，必然存在有无法避免的问题。为了更好的提高的二氧化钛光催化性能，还应当从紫外线光源方面着手，平衡点需要在电光源和太阳能之间寻找，研发一种混合光源，从而降低光源成本，同时提高其稳定性，这样也能更好的进行催化。比如说，工作人员在研发的时候，可以先对天气进行预测，观测在哪些阶段使用太阳能比较好，在哪些阶段使用电光源比较好，使二者能够充分的发挥其作用，完成催化的相关事宜。

2.7表面光敏化

延伸其激发波长是半导体表面光敏化，提高太阳光利用率的重要途径。它是将光活性有机染料以物理或化学吸附于半导体的表面，从而有效地扩展二氧化钛的光催化剂可见区的光谱响应。常用的光敏催化剂有赤鲜红B、硫因等。在可见光下这些催化剂具有较大的激发因子，只要活性物质激发态电势比二氧化钛导带更负，就极有可能将光生电子输送到二氧化钛的导带中，从而扩大激发波长的范围，因为，在进行光催化的时候，主要的能量来源就是紫外线光源，波长范围扩大的越大，吸收紫外线光源的效果越好。

3.纳米二氧化钛光催化性能的应用前景

1972年，日本科学家藤森和本田报告说，tio2在光电元件中受到照射，这一发现引起了许多科学家和技术人员的注意。他使用这一原则对水中污染物进行了分解，并取得了令人满意的结果。自那时以来，人们对tio2作为有机物的光催化分解的研究已成为一个热点。近年来，纳米tio2在污水处理、空气处理、抗菌和自清洗材料方面的研究已经深入进行。

4.结语

目前，由于国内外科学家在使用紫外线或高压水银灯时研究出的成果并共同努力，使二氧化钛的光催化特性不断改善，但在大量应用光电催化特性之前，仍有一定距離。由于人类对纳米二氧化钛的深入研究，其光催化特性是不可避免的。如果进一步改进，二氧化钛将在许多领域得到更广泛和更具实质性的应用，如环境污染控制，防紫外线，防细菌材料和半导体材料。

参考文献

[1]水淼，岳林海，徐铸德.几种制备方法的掺铁二氧化钛光催化特性[J].物理化学学报，2001，17（3）：282

[2]湛社霞，范山湖，等.钼掺杂tio2。光催化活性的研究[J.中山大学学报（自然科学版），2001，40（2）：125

[3]谭湘萍，蒋伟川.载银tio2。半导体催化剂对印染废水的光降解研究[J.环境污染和防治，1994，16（5）;5

[4]郑红v汤鸿霄，王怡中，有机污染物半导体多相光催化氧化机理及动力学研究发展[J环境科学进展，1996，4（3）：1

[5]徐惠，王毅.纳米 tio2的制备表征及其光催化性能研究[J].兰州理工大学学报，2005，31（4》：68瞩.王乘遇，钟萍

[6]掺钢对玻璃表面孔tio2薄膜光催化性能的影响[J建筑材料学报，2000，3（1）：33

[7]高远，徐安武，祝静艳. RE/ tio2用于NO2光催化氧化的研究[J.催化学报，2001，22（1）：53

作者简介：李晨雨（2000.01-），男，河南商丘人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料与冶金学院材料化学专业，本科生。

王俏俏（2000.03-），女，河南新乡人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料与冶金学院无机非金属材料工程专业，本科生。

郭庆杰（1999.10-），男，河南焦作人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料与冶金学院材料化学专业，本科生。

李博文（1999.09-），男，河南周口人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料与冶金学院材料化学专业，本科生。

叶晖（2000.01-），男，福建莆田人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料与冶金学院材料化学专业，本科生。

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