李晨雨 王俏俏 郭慶杰 李博文 葉暉

【摘? 要】二氧化鈦是一種化學(xué)物質(zhì)，它具有特殊的光催化性能。二氧化鈦是一種新型半導(dǎo)體材料，因其具有優(yōu)良的光催化特性，在太陽(yáng)能儲(chǔ)存與利用、光電轉(zhuǎn)換、光致變色及光催化降解大氣和水中污染物等諸多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。自1972年人們發(fā)現(xiàn)這種材料能夠降解環(huán)境中的有害有機(jī)物生成二氧化碳和水，并且能夠氧化去除大氣中的低濃度的氮氧化物和含硫化合物等有毒氣體，殺菌、除臭之后，有關(guān)于二氧化鈦的研究就越來(lái)越多了。本文，將對(duì)提高二氧化鈦催化性能的幾種途徑進(jìn)行研究，以求在以后的生活中更好的應(yīng)用這種物質(zhì)，改善環(huán)境，提升生活品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】二氧化鈦;光催化;途徑研究

引言

二氧化鈦（tio2）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、不可再生且不昂貴，是理想的半導(dǎo)體光催化劑。在自然界中，tio2有三種晶體結(jié)構(gòu)：金紅石、銳鈦礦和水鎂石。前期是穩(wěn)定期，隨后是不穩(wěn)定期，二氧化鈦的晶型對(duì)催化活性的提高起著重要的作用。研究表明，該麻醉劑具有燈泡型光催化波形，在三種晶型中，部分含有光催化劑1～1。tio2是一種新型的半導(dǎo)體材料。它已被證明廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存、紫外線防護(hù)、光色譜、廢水處理、空氣處理、細(xì)菌銷毀等領(lǐng)域，減少二氧化碳和分解有害和復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)。近年來(lái)，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究文件的數(shù)量急劇增加，其內(nèi)容主要側(cè)重于光導(dǎo)特性研究。由于納米-tio2光電催化作用的特點(diǎn)，它在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用展現(xiàn)了廣闊而有吸引力的前景，研究和開(kāi)發(fā)納米tio2光催化氧化的特性已成為各國(guó)研究人員密切關(guān)注的熱點(diǎn)。

1.二氧化鈦光催化機(jī)理

（1）tio2禁區(qū)寬度為3.2電子伏特。當(dāng)它吸收波長(zhǎng)小于或等于387.05納米的光子時(shí)，價(jià)區(qū)內(nèi)的電子將被激發(fā)到傳導(dǎo)區(qū)，形成負(fù)電荷的高活性e，同時(shí)，在價(jià)帶正電荷空穴的產(chǎn)生。在電子場(chǎng)和空穴的作用下，粒子表面的位置會(huì)被分離并遷移到不同的位置。熱力學(xué)理論表明，H是分布在表面的，可以吸附在tio2表面的OH，但氧化為基，對(duì)順磁共振的研究也證明了在tio2表面的水大量的基，在水中存在的氧化劑中，OH基的氧化能力是最強(qiáng)大的，并且可能會(huì)嚴(yán)重氧化。大多數(shù)有機(jī)污染物和某些無(wú)機(jī)污染物最終會(huì)分解成無(wú)害物質(zhì)，如CO和HO，而OH對(duì)試劑幾乎沒(méi)有選擇性，因此在光催化氧化中起著決定性作用。

（2）此外，許多有機(jī)化合物的氧化潛力大于tio2價(jià)帶的負(fù)值，而且還可以直接氧化h±o。tio2表面上的高活度e具有很強(qiáng)的再生能力，可在水中去除金屬離子。

2.提高納米二氧化鈦光催化性能的主要方法

tio2的使用也有其局限性;被禁區(qū)的寬度約為3.2電子伏特，激發(fā)電子空穴蒸汽需要載體的復(fù)合速度非常高，通常發(fā)生在微微秒和毫微秒，在刻度范圍內(nèi)，光催化活動(dòng)較少;利用率尤其是可見(jiàn)光相對(duì)較低。因此，產(chǎn)生高活性光催化劑的關(guān)鍵是減少光生成電子和空穴的復(fù)合概率，并擴(kuò)大可見(jiàn)光的吸收范圍。目前，主要采用稀土合金和過(guò)渡金屬合金等方法來(lái)改善光電催化特性，貴金屬的沉積、復(fù)合半導(dǎo)體、有機(jī)染料的光敏化和tio2納米芯片的產(chǎn)生。其中最突出的是對(duì)經(jīng)摻雜修改的tio2光催化特性的研究。

2.1稀土元素?fù)诫s

稀土元素在光學(xué)、電子學(xué)和催化劑中廣泛應(yīng)用，稀土元素的極端電子的位置基本相同，加上它們?cè)谥芷诒碇邢噜?，所以它們的性質(zhì)相對(duì)相似，他們顯示了一個(gè)規(guī)律性的逐步變化。大多數(shù)的價(jià)元素有+3，有些有+2或+4的價(jià)，因?yàn)?f層將是半滿的，一個(gè)完整的或完全空的狀態(tài)，很容易獲得或丟失電子。根據(jù)各種創(chuàng)造氧氣空缺的方法，稀土合金元素和二氧化鈦晶格的效應(yīng)可以分為兩類。一種是摻入一價(jià)或價(jià)+3的稀土離子元素，如Gd3+、Y3+、La3等。D.這些離子衍射成晶格，代替鈦離子，產(chǎn)生氧氣空位，因此，它有助于魯基拉相的相轉(zhuǎn)化和晶粒增長(zhǎng)，并影響二氧化鈦的光催化活動(dòng)。另一種類型是摻入的稀土離子交換元素，由于稀土離子的半徑通常大于鈦離子的半徑，當(dāng)合金離子或其氧化或還原狀態(tài)擴(kuò)散到鈦的二氧化鈦晶格中時(shí)，它們會(huì)引起晶格的更大扭曲和擴(kuò)張。研究表明，紫外線-可見(jiàn)吸收稀土元素?fù)饺氲募{米tio2粉末有紅偏移，這表明，稀土元素的摻雜有助于吸收可見(jiàn)光和催化劑中的電荷載體產(chǎn)生，從而改善光催化活動(dòng)。

2.2過(guò)渡金屬摻雜

金屬離子摻雜可在tio2晶格中造成缺陷或改變結(jié)晶性，從而影響光生電子和空穴的復(fù)合，因此，它的光催化活性受到影響。崔等人系統(tǒng)地研究了金屬離子摻雜的tio2 21種納米晶體，發(fā)現(xiàn)金屬離子摻雜在0.1%至0.0%的柵格中的比重很大。

2.3 貴金屬沉積

研究表明，貴金屬沉積在tio2表面，相當(dāng)于tio2，表面形成了一個(gè)與tio2和惰性金屬作為電極的短路微型電池組。由電極吹制的H【化】可將有機(jī)物質(zhì)氧化成液相，而e【化】從而降低了e復(fù)合的可能性，并提高了催化劑的活性。因此，通常使用的貴金屬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應(yīng)效率。

2.4 復(fù)合半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的化合物是指兩種類型的半導(dǎo)體與連續(xù)禁帶的結(jié)合響應(yīng)范圍。因此，半導(dǎo)體化合物也是提高光電催化效率的有效途徑，目前，一般的復(fù)合系統(tǒng)主要包括：tio2-SNO，tio22-V，0，tio2-WO，tio2-ZRO等。tio2的光催化活性幾乎可以通過(guò)半導(dǎo)體的耦合來(lái)提高。

2.5制備成tio2納米管

催化劑比表面的增厚可提高其光催化活性。系統(tǒng)的比表面越大，反應(yīng)面積就越大，從而促進(jìn)分解產(chǎn)物的吸附并提高光催化反應(yīng)的速度和效率。因此，在具有相應(yīng)厚度的納米管中獲得tio2將增加系統(tǒng)的單位表面，并改善tio2的光催化活動(dòng)。Shao Ying等人的研究表明，解剖學(xué)型tio2是用多孔氧化鋁作為溫度準(zhǔn)備的。納米管由許多非常小的tio2納米粒子組成。在氣流中，tio2對(duì)十二氯苯磺酸鈉的光催化分解具有很高的光催化活性。

2.6研發(fā)穩(wěn)定的紫外線光源

二氧化鈦光催化的重要物質(zhì)之一是紫外線，目前在進(jìn)行二氧化鈦光催化的時(shí)候，太陽(yáng)能和電光源主要提供的紫外線光源，這兩種光源各有優(yōu)缺點(diǎn)，在進(jìn)行穩(wěn)定催化的時(shí)候，必然存在有無(wú)法避免的問(wèn)題。為了更好的提高的二氧化鈦光催化性能，還應(yīng)當(dāng)從紫外線光源方面著手，平衡點(diǎn)需要在電光源和太陽(yáng)能之間尋找，研發(fā)一種混合光源，從而降低光源成本，同時(shí)提高其穩(wěn)定性，這樣也能更好的進(jìn)行催化。比如說(shuō)，工作人員在研發(fā)的時(shí)候，可以先對(duì)天氣進(jìn)行預(yù)測(cè)，觀測(cè)在哪些階段使用太陽(yáng)能比較好，在哪些階段使用電光源比較好，使二者能夠充分的發(fā)揮其作用，完成催化的相關(guān)事宜。

2.7表面光敏化

延伸其激發(fā)波長(zhǎng)是半導(dǎo)體表面光敏化，提高太陽(yáng)光利用率的重要途徑。它是將光活性有機(jī)染料以物理或化學(xué)吸附于半導(dǎo)體的表面，從而有效地?cái)U(kuò)展二氧化鈦的光催化劑可見(jiàn)區(qū)的光譜響應(yīng)。常用的光敏催化劑有赤鮮紅B、硫因等。在可見(jiàn)光下這些催化劑具有較大的激發(fā)因子，只要活性物質(zhì)激發(fā)態(tài)電勢(shì)比二氧化鈦導(dǎo)帶更負(fù)，就極有可能將光生電子輸送到二氧化鈦的導(dǎo)帶中，從而擴(kuò)大激發(fā)波長(zhǎng)的范圍，因?yàn)?，在進(jìn)行光催化的時(shí)候，主要的能量來(lái)源就是紫外線光源，波長(zhǎng)范圍擴(kuò)大的越大，吸收紫外線光源的效果越好。

3.納米二氧化鈦光催化性能的應(yīng)用前景

1972年，日本科學(xué)家藤森和本田報(bào)告說(shuō)，tio2在光電元件中受到照射，這一發(fā)現(xiàn)引起了許多科學(xué)家和技術(shù)人員的注意。他使用這一原則對(duì)水中污染物進(jìn)行了分解，并取得了令人滿意的結(jié)果。自那時(shí)以來(lái)，人們對(duì)tio2作為有機(jī)物的光催化分解的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)。近年來(lái)，納米tio2在污水處理、空氣處理、抗菌和自清洗材料方面的研究已經(jīng)深入進(jìn)行。

4.結(jié)語(yǔ)

目前，由于國(guó)內(nèi)外科學(xué)家在使用紫外線或高壓水銀燈時(shí)研究出的成果并共同努力，使二氧化鈦的光催化特性不斷改善，但在大量應(yīng)用光電催化特性之前，仍有一定距離。由于人類對(duì)納米二氧化鈦的深入研究，其光催化特性是不可避免的。如果進(jìn)一步改進(jìn)，二氧化鈦將在許多領(lǐng)域得到更廣泛和更具實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用，如環(huán)境污染控制，防紫外線，防細(xì)菌材料和半導(dǎo)體材料。

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作者簡(jiǎn)介：李晨雨（2000.01-），男，河南商丘人，包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)，本科生。

王俏俏（2000.03-），女，河南新鄉(xiāng)人，包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)，本科生。

郭慶杰（1999.10-），男，河南焦作人，包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)，本科生。

李博文（1999.09-），男，河南周口人，包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)，本科生。

葉暉（2000.01-），男，福建莆田人，包頭市昆都侖區(qū)內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)，本科生。

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