TiO2 纳米材料的光催化性能研究

张良，朱政

（枣庄职业学院, 山东枣庄 277800）

使用TiO2作为处理有机化合物的光催化媒介， 是20 世纪70 年代诞生的基础纳米技术，采用了先进的纳米科技对TiO2进行分解合成，强化了其催化的效率，在催化剂的发展历程中，光触媒就是光催化剂的别称。 与化学反应一样，TiO2就是化合物在光源的照射之下发生复合反应时， 作为催化剂对发生反应的有机物或者无机物进行催化。 催化剂的特性就是其本身不发生任何反应， 光催化的过程主要包含氧化作用和还原作用， 主要是产生光生空穴和光生电子的主要性能，二者相辅相成。 在近代对TiO2纳米材料的研究中，其载流正负离子容易复合，其反会被抑制，且具有较长的扩散路径，对光电转换效率有了明显的限制效果。 影响光催化的因素有很多，TiO2带隙大、 光生电子-空穴对复合速率快、以及光吸收能力，新能源的开发创新实际上也是对TiO2纳米材料的光催化性能进行创新研究[1，2]。

1 TiO2 纳米材料光催化性能探究

半导体的特点是能够在光的照射下，转化光能为化学能，半导体光催化是对化合物合成或分解的过程总称。 光催化的最显著特点是直接在紫外光或太阳光作为光源的前提下，作为活化光催化剂进行工作[1]。 TiO2（二氧化钛）,也称钛白粉，常常用作光触媒以及化妆品生产，主要依靠其紫外线进行消毒及杀菌， 目前处于广泛开发阶段，是新工业创新研究的另一领域。 TiO2纳米材料可从金红石中用酸分解提取， 或分解四氯化钛获取。TiO2纳米材料化学性质稳定，既具有优良的遮盖能力，与铅白的性质相似，又优于铅白不会变黑，且具有锌白的持久性, 可作为添加在油漆中增白的颜料。 TiO2纳米材料在搪瓷的烧制中也具有较大的作用，用作消光剂，搪瓷釉的罩面会产生光亮并具备硬而耐酸的特点。

2 TiO2 纳米材料的光催化原理[2]

TiO2是金属氧化物的催化剂半导体，不仅利用光源对有机化合物进行降解，还可以用于使用臭氧处理水的研究开发中，其催化作用也可以提高臭氧技术在污水处理中的应用效果。 自然界TiO2的种类繁多， 其中锐钛矿使用最频繁， 金红石、板钛矿这两种晶型的TiO2作为辅助材料使用居多。 因为板钛矿型TiO2不够稳定，而锐钛矿型TiO2比金红石型TiO2的催化活性高，所以锐钛矿相TiO2研究的价值和意义对科技发展起着重要决定作用。 其禁带宽度3.2ev，价带的电子获取能量跃迁的主要反应是收到波长小于387.5nm 的光源刺激才会产生，进而形成光化学反应所需要的光生电子，与光生空穴(h+)，纳米技术处理复合的TiO2是将它的尺寸分割成很小颗粒，产生的光生电子比较多， 附着在发生反应的TiO2晶体表面，这时出现了正负极相反的光生电子和光生空穴，其分子链的强度较大，能量强度远远高出一般有机和无机的污染物， 对污染物的分解最为有效。所以被广泛的运用于现代工业污水的处理环节，减少了工业污染。 同时，光生空穴和光生电子遇水蒸汽发生化学反应，主要是氧化反应，进而产生氢氧自由基， 具有杀菌的效果。 TiO2纳米材料中的光催化能够降解有机物，实质上是一种自由基的反应作用。 含有一个未成对电子自由基叫羟基自由基，能够与有机污染物和大部分的无机污染物发生反应，进行分解过程。 其反应速度仅仅受限于羟基自由基在水中的扩散速度，是非常迅速的。 近年来多项研究表明： 羟基自由基在TiO2纳米材料光催化降解的过程中起主导作用[3]。降解过程中起到不可或缺作用的还有单基态氧、超氧自由基，虽然他们的氧化电位低于羟基自由基，但与羟基自由基相互协作，共同促进氧化还原反应的发生。

3 TiO2 纳米材料的光催化的特点[3]

太阳能利用价值极高， 也是二次清洁能源，节能减排属于近现代最清洁能源之一。 所以利用TiO2纳米材料的光催化性能把太阳能转化为化学能加以利用的研究越来越多。 合理利用好太阳能这个可再生能源，对我们人类今后的生态环境的发展，工业的应用，日常的生活有着不一般的意义。

TiO2纳米材料因为材料颗粒数量的优势，光催化的降解发生的化学反应速度相对较快，光源对空穴产生[OH-]的刺激较为强烈，强氧化的自由基对于难降解有机和无机化合物的分解在短时间内都能够得到完成，可提高工作的效率。 另外，TiO2纳米材料的光催化降解无选择性， 几乎能降解任何有机污染物。 所以它作为一种新兴的空气净化产品，对甲醛和空气中的氮氧化、苯类污染物能够起到净化作用。 作为强力有效的降解催化剂，在治疗例如大肠杆菌、黄色葡萄球菌等菌群引起的疾病时，也会被利用，只是由于当前的医疗科技发展缓慢，并没有被普及使用。 同时，TiO2具有极高的化学稳定性，抗光腐蚀性，无毒无害，有机和无机污染化合物在被降解的过程中会转化为CO2和H2O， 具有研究价值。 最主要的一点是，其反应条件温和，在一般的生活场景中能自由与空气中的水分发生反应，同时光催化的作用条件较为简单，接受到太阳紫外光线的照射或暴露在其他的光源之下， 会产生光催化的作用，加速其他产物的分解。 工业和企业生产投资也相对较少，效率高，成本及能耗低。 并且光催化反应具有有效性，作用持久。 但是光触媒无可见光吸收的缺陷较为显著， 为了能够突破该领域内的缺陷，当下许多著名研究在不断探索，希望在将来能够有效利用其它纳米合成技术改善这一缺陷，将TiO2纳米材料的光催化效能发挥到极致，保护生态环境，节约资源的利用。

4 TiO2 纳米材料的光催化影响因素

4.1 水蒸气对TiO2 光催化剂的影响以及光催化剂的失活

影响TiO2纳米材料的光催化影响因素相对较多，其中水蒸汽会在一定程度上对TiO2纳米材料的光催化造成影响。 一般情况下，TiO2纳米材料的镀膜表面会与水产生较大的接触面积，但经过了太阳光中紫外线的照射以后，水的接触角度则会降低， 一般会减少到5℃以下甚至会达到0℃。 当到达0℃时水完全将TiO2表面覆盖，此时能够显示出很好的亲水性。 当光照停止后，表面的亲水性将会继续维持大约1 周左右的时间才可以恢复到疏水的状态。 由此可以证明在拥有光照的条件下，TiO2的亲水性主要起因于物质表面的结构变化。 同时也有相关研究表明：除光照时间以外，如环境的气氛或热处理等均会对TiO2表面的结构产生较大的影响，从而影响到光的催化性能。 当反应浓度过低时，纳米材料的光催化反应速率会随着水蒸气的影响逐渐失去敏感性；反之，当反应物的浓度较高，水蒸气的存在会导致纳米材料的光催化反应速率减低。

4.2 焙烧温度对TiO2 纳米材料的光催化影响

对TiO2纳米材料的光催化影响因素拥有较大影响的是焙烧的温度。 一般当焙烧的温度升高时则会使催化的活性降低。 其原因是在焙烧的过程中温度会对TiO2纳米材料的表面产生影响。 当焙烧的温度随之增高时，表面积明显发生减少，由此导致在材料表面上的吸附量也会随之减少，当焙烧的温度升高达到一定的数值时则会使TiO2发生物理性改变，由锐钦矿型向金红石型转变，这将是影响光催化性能下降极为重要的原因之一。

4.3 TiO2 纳米材料的表面积对光催化作用的影响

TiO2纳米材料的表面积是决定基质吸附量的重要因素之一。 在晶格缺陷等其他相关因素相同的情况下，纳米材料的表面积越大吸附量也就越大，物质的活性也就越高。 通常状况下认为光催化的活性主要由催化剂本身吸收光的能力、载流子的分离以及向纳米材料表面转移的效率等多方因素共有决定。 当TiO2所吸收的光越多且能力越强时由光照所产生的电子空穴也越多，最终使光催化的反应活性提升。 此外对催化剂活性有影响的还包括如TiO2表面的粗糙程度、结晶程度以及表面的轻基等。

4.4 光强度的影响

光照的强度将直接影响催化的效果。 原因是由于在相同的单位体积，有效的光子数能够直接对反应的速度产生影响。 当光的强度越来越高时，单位体积内所能够接受的且射入的光子数量越多，会在催化剂的表面形成与之相对应的活性物质。 但对光强度的设定也有一定的要求，并非光强度越高越好。 若光子的利用率突破自身所承受的能力时， 则会使过多的光子再无法被利用。因此为了节约能源消耗，应该对光的强度加以设定。 此外TiO2加入的量以及光波长等其他相关因素同样也会对光催化降解带来一定的影响。

5 TiO2 纳米材料的光催化的应用领域及创新研究

在19 世纪60 年代末，能够发现TiO2可对乳干嗜酸菌、 酵母菌和大肠杆菌等菌落进行消灭，尤其是在强灯光的照射下，基于此基础理论上进行创新研究表明，其作为光催化的介质，在反应过程中产生的羟基自由基（·OH）具有高氧化性，能够将细菌的细胞壁破坏，以及损伤凝固病毒的蛋白质，起到杀菌的作用。而20 世纪70 年代也有科学研究人员， 利用TiO2悬浮粉末对Cr2O27-的离子进行光解，将其还原为Cr3+，从而实现了TiO2纳米材料的光催化性能对工业废水中的有机物氧化还原为CO2、H2O、硫化物、氮化物、离子等无机小分子。 在20 世纪90 年代后期，将TiO2透明薄膜涂在玻璃、陶瓷表面，并且经过太阳光的照射之后，表面的细菌和生产过程中产生的异味均会被消灭，且还有防污的功能，从此开辟了光催化剂薄膜功能材料研究这一新领域[2]。 TiO2的光催化的多样使用性能被发现，应用的领域也在不断增加，对生活和工业废水的降解在一定程度上解决了当下经济发展的难题，有效促进时代的进步和人类文明的发展，在保障人民健康发展的前提下，对自然资源的合理开发利用，特别是太阳能一类的清洁能源的开发利用，积极响应了保护生态环境就是保护自己家园的国家理念。

在研究TiO2纳米材料的光催化性能上，因为其本身物质结构的缺陷，所以各研究人员不断的创新开发其新领域，例如对一维纳米材料(纳米管或纳米线等)的发现，相比传统的纳米颗粒，可以提高材料的表面积，加速光生电子的传输，从而更好降低与光生电子空穴正负极的复合机率。 以及研究利用多金属氧酸盐(POM) 的结构多样、氧化还原性好、电荷分布广的特点，将TiO2纳米材料的催化性能发挥到极致，还有利用微波辅助快速制备TiO2S 型异质， 通过微波水热法将ZnIn2S4纳米片原位组装在TiO2纳米纤维上，构筑2D/1D ZnIn2S4/TiO2S 型异质结构， 并利用其光催化制氢的速度等创新探究，不断的优化TiO2纳米材料的运用。

总之，人们在对TiO2纳米材料的光催化性能进行研究时， 不仅是要针对当下的发展现状，还要考虑自然资源的长久发展和投资成本，因为科技开发不仅仅是只有研究数据，还需要能广泛的运用于生活和经济建设当中。 TiO2纳米材料的光催化性能对光源不可见的缺陷在时代的发展下慢慢的改善，其应用技术领域也在不断的创新。