納米二氧化鈦光催化材料研究現狀

王玉光

（內蒙古財經學院旅游學院，內蒙古呼和浩特010051）

催化材料

納米二氧化鈦光催化材料研究現狀

王玉光

（內蒙古財經學院旅游學院，內蒙古呼和浩特010051）

詳細介紹了二氧化鈦光催化材料的作用機理、形態結構、基本特性以及改性等研究現狀。討論了二氧化鈦物相及混合物相、納米尺寸效應對光催化性能的影響。分析了摻雜元素在二氧化鈦中形成缺陷的機制，以及對光催化材料性能的影響等。總結了光催化材料在技術和應用方面存在的問題，并對其今后的發展方向進行了展望。

納米二氧化鈦；光催化；應用

1972年，A.Fujishima等［1］首次發現在光電池中受輻射的TiO2表面能持續發生水的氧化還原反應，這一發現揭開了光催化材料研究和應用的序幕。1976年J.H.Carey等［2］報道了TiO2水濁液在近紫外光的照射下可使多氯聯苯脫氯。S.N.Frank等［3］也于1977年用TiO2粉末光催化降解了含CN-的溶液。由此，開始了TiO2光催化技術在環保領域的應用研究，繼而引起了污水治理方面的技術革命。近十幾年來，隨著社會的發展和人們對環境保護的覺醒，納米級半導體光催化材料的研究引起了國內外物理、化學、材料和環境等領域科學家的廣泛關注，成為最活躍的研究領域之一。通過科學工作者對二氧化鈦的物質結構、制備方法、催化性能、催化機理等方面的深入系統的研究，這種快速高效、性能穩定、無毒無害的新型光催化材料在廢水處理、有害氣體凈化、衛生保健、建筑物材料、紡織品、涂料、軍事、太陽能貯存與轉換以及光化學合成等領域得到了廣泛應用。

1 TiO2光催化作用機理

“光催化”從字面意思看，似乎是指反應中光作為催化劑參加反應，然而事實并非如此。光子本身是一種反應物質，在反應過程中被消耗掉了，真正扮演催化劑角色的卻是TiO2。因此，“光催化”反應的內涵是指在有光參與的條件下，發生在光催化劑及其表面吸附物（如H2O、O2分子和被分解物等）之間的一種光化學反應和氧化還原過程［4］。其具體的作用機理如下［5-7］。

從結構上看，TiO2之所以在光照條件下能夠進行氧化還原反應，是由于其電子結構為一個滿的價帶和一個空的導帶。當光子能量（hν）達到或超過其帶隙能時，電子就可從價帶激發到導帶，同時在價帶產生相應的空穴，即生成電子（e-）、空穴（h+）對。通常情況下，激活態的導帶電子和價帶空穴會重新復合為中性體（N），產生能量，以光能（hν′）或熱能的形式散失掉。

而當存在合適的俘獲劑或表面缺陷態時，電子和空穴的復合受到抑制，就會在表面發生氧化還原反應。其中，價帶空穴是良好的氧化劑，而導帶電子是良好的還原劑。其作用過程如圖1所示。在光催化半導體中，空穴具有更大的反應活性，攜帶光量子能的主要部分，一般會與表面吸附的H2O或OH-反應形成具有強氧化性的表面羥基，反應式如下：

而對電子來說，一般會與表面吸附的氧分子反應，產生的活性氧分子不僅參與還原反應，還是表面羥基的另一個來源。具體反應式為：

此外，A.Sclafani等［7］通過對TiO2光導電率的測定證實了·O-的存在。由此可能存在的一個反應為：

活性羥基具有402.8 MJ/mol的反應能，高于有機物中各類化學鍵能［8］，如C—C（607 kJ/mol）、C—H（338.32 kJ/mol）、C—N（754.3 kJ/mol）、C—O（1 076.5 kJ/mol）、H—O（427.6 kJ/mol）、N—H（339 kJ/mol），因而能完全分解各類有機物，最終生成CO2和H2O等無毒產物。

圖1 二氧化鈦光催化原理

2 納米TiO2晶體的形態結構及特性

2.1 TiO2晶體的基本物性

TiO2具有3種不同的晶體結構，即銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型，其基本物理性質如表1所示。其中，以銳鈦礦型和金紅石型主要用作光催化材料，兩者相對比，價帶位置相同，因此其光生空穴具有相同的氧化能力。但是，銳鈦礦的禁帶寬度為3.2 eV，大于金紅石型，即是說銳鈦礦型的導帶電位更負，從而光生電子具有更強的還原能力。此外，由于金紅石型的禁帶寬度較小，激發產生的電子-空穴對易于復合，從而降低了粒子的催化活性，因此銳鈦礦型具有較高的催化活性。

表1 TiO2晶體的基本物性

2.2 混晶效應

將銳鈦礦型與金紅石型混晶（一般采用氣相反應合成）后，會發現所得到的TiO2混合物具有更高的光催化活性［9］，這一現象即所謂的“混晶效應”。根據高溫氣相反應器中TiO2粒子成核-生長和晶型轉化機理可知，一定條件下形成的混合晶型TiO2粒子，其內部為銳鈦礦相，表面為金紅石相，兩種相態緊密毗連。光照射在TiO2粒子上時，表面層金紅石型TiO2被激發，由于兩種晶型TiO2導帶和價帶能級的差異，光生電子從金紅石型向銳鈦礦相擴散，而空穴則由銳鈦礦相向金紅石相擴散，從而減少了電子與空穴的復合幾率，光生載流子實現了有效分離，粒子光催化活性提高。混晶后TiO2中電荷遷移過程如圖2所示［10］。

圖2 混合晶型TiO2中電荷遷移過程示意圖

2.3 納米TiO2光催化材料的尺寸效應

對于TiO2粉體，隨著顆粒尺寸的減小，其光催化活性會有一定程度的提高，表現出特定的尺寸效應。綜合起來，TiO2光催化材料可能產生的尺寸效應主要有以下幾種［11］。

1）量子效應：TiO2是n型半導體，當其粒徑小于50 nm時，就會產生與單晶半導體不同的性質，這就是所謂的“尺寸量子效應”。即是說，當其粒徑小于某一納米尺寸時，半導體的載流子被限制在一個小尺寸的勢阱中，從而使得導帶和價帶能級由連續變為分離，進而使得兩者之間的能隙變寬。此時，導帶的電位變得更負，價帶的電位則更正，從而使得光生電子和空穴的能量增加，增強了半導體光催化劑的氧化還原能力，提高了其光催化活性。

2）表面積效應：隨著粒子尺寸減小到納米級，光催化劑的比表面積將大大增加，表面原子數量迅速增加，從而使得光吸收效率提高，表面光生載流子濃度隨之增大，進而提高了表面氧化還原反應的效率。其次，隨著粒徑的減小，比表面積增大，而表面的鍵態和電子態與內部不同，表面原子的配位不全導致表面活性位置增多，因而與大粒徑的粉體相比，其表面活性更高，從而使得對底物的吸附能力增強，增大了反應幾率。此外，在光催化反應過程中，催化劑的表面羥基數目直接影響著催化效果。TiO2粉體浸入水溶液中，表面要經歷一個羥基化的過程，一般表面羥基的數目為5～10個/nm2。因此，隨著尺寸減小，比表面積增大，表面羥基數目也隨之增加，從而提高了反應效率。

3）載流子擴散效應：晶粒尺寸大小對光生載流子的復合率也有很大影響。對納米級半導體粒子而言，其粒徑通常小于空間電荷層的厚度，空間電荷層的任何影響都可忽略。計算表明，粒徑為1 μm的TiO2粒子中，電子從體內擴散到表面需10-7s，而10nm的TiO2僅需10-11s，所以粒子越小，光生電子從晶體內擴散到表面的時間越短，電子與空穴在粒子內的復合幾率就越小，使得光催化效率提高。

3 納米TiO2光催化材料的改性

目前，TiO2光催化劑主要存在如下不足［10］：光吸收波長范圍狹窄，吸收波長閾值大都在紫外區，利用太陽光比例低；載流子復合率高，量子效率低。基于此，納米TiO2光催化材料的改性分為兩個方向［12］。

1）拓寬納米TiO2光催化劑對光吸收的波長范圍。設法減小其禁帶寬度，使激活波段移向可見光區，則可有效利用太陽能，提高TiO2光催化反應的效率。目前所報道的可見光響應光催化劑有［13］：金屬離子摻雜半導體光催化劑、復合半導體光催化劑、非金屬摻雜光催化劑、光敏化催化劑等。金屬離子摻雜使光催化劑具有可見光活性，可以由晶格缺陷理論來解釋［13］。如選擇適當的元素摻雜在半導體中，可以在半導體帶結構的價帶與導帶之間形成一個缺陷能量狀態，缺陷能量狀態可能靠近價帶，也可能靠近導帶。缺陷能量狀態為光生電子提供了一個跳板，可以利用能量較低的可見光激發電子，由價帶分兩步傳輸到導帶，從而激發半導體的光吸收邊向可見光移動。另外，缺陷能量狀態也可以由半導體晶格缺陷或痕量雜質而形成。然而，盡管這類物質可以吸收可見光，但是由于受光腐蝕和電荷重新復合的影響，只有極少數能保持可見光催化活性。而納米TiO2與其他半導體復合，則可形成偶合半導體。通過半導體的復合，提高半導體的電荷分離效率，抑制電子-空穴的復合，從而擴展納米TiO2光致激發的波長范圍，提高降解效率。納米TiO2表面光敏化是將光活性物質通過物理或化學吸附于TiO2表面，從而擴大其激發波長范圍，增加光催化反應的效率［11］。只要活性物質激發態的電勢比半導體導帶電勢更負，就可能將光生電子輸送到半導體材料的導帶，從而使納米TiO2半導體的激發波長范圍擴大，提高可見光的利用率。

2）促進光生電子和空穴的有效分離，抑制電子與空穴的復合。這一方向可通過納米TiO2表面沉積貴金屬或加入過渡金屬離子來實現［12］。常用的貴金屬有Pt、Pd、Au、Ru、Ag等。當貴金屬沉積在納米TiO2表面，紫外光照射下TiO2粒子產生的電子能很快轉移給負載在TiO2表面的貴金屬粒子上，可以分離光生載流子，從而抑制電子與空穴的復合，有效提高電荷和空穴的分離。這可用Schottky勢壘加以解釋。過渡金屬離子如Fe、Cu也能抑制電子與空穴復合，提高光催化效率［12］。從化學觀點看，金屬離子摻雜可能在半導體晶格中引入缺陷位置或改變結晶度，從而影響了電子-空穴的復合。如摻雜離子成為俘獲電子或者空穴的陷阱，則能延長載流子壽命，從而能有效提高光催化效率；如成為電子-空穴對的復合中心，則對光催化不利［10］。摻雜后TiO2的催化活性的變化與這些過渡元素的穩定氧化態的電子親合勢與離子半徑的比值以及摻雜原子的磁矩具有較好的相關性［11］。而催化劑的（101）晶面的X射線衍射強度、微晶尺寸和晶格畸變應力對催化活性也具有一定的影響。

4 存在的問題及前景展望

隨著納米材料、光催化和多相催化技術的發展，納米TiO2光催化材料及其多相催化反應成為近年來國際上最活躍的研究領域之一。一個以納米光催化技術為核心的高新技術產業正在逐步形成［14-17］。然而，目前以TiO2半導體為基礎的光催化技術還存在著幾個關鍵的技術難題，使其在工業上的應用受到許多限制。這些問題包括：1）量子產率低（約4%），最高不超過10%，光生空穴-電子易復合，難以處理大量的工業廢氣和廢水，只能用于降解低濃度有機廢物；2）太陽能利用率低，目前，以TiO2為主的光催化劑只能吸收太陽光中波長在300～400 nm的紫外線部分，太陽光能量利用率約為3%，為此，光催化光源一般必須采用光效低、能量消耗大且操作不方便的高壓汞燈、黑光燈、紫光燈、紫外線燈等；3）粉體TiO2光催化材料存在易失活、易凝聚、難回收等缺點，而光催化劑的負載技術難以在既保持TiO2粉末的高光催化活性又滿足特定材料的理化性能要求的前提下在不同載體表面均勻、牢固地負載催化劑，使得催化劑使用方便并易于與反應物分離再生。

基于上述問題以及目前研究應用現狀，今后二氧化鈦光催化材料研究的主要發展方向將主要表現在以下幾個方面：1）對TiO2材料性能進行進一步探討和研究。以前，人們比較注重TiO2金紅石相的微觀結構、晶相、電、光、磁、敏感、光催化等特性的研究和探討，相比較而言，對光催化或其他性能比金紅石相還好的銳鈦礦的探討、研究較少。2）應用表面技術及材料合成技術進行表面修飾、摻雜和復合方面的研究，以提高其光催化活性，拓寬其激發光源的波長范圍。若將可利用光譜從目前的紫外光區擴展到可見光區，將會對TiO2太陽能轉換效率和光催化在環境凈化中的應用帶來巨大的價值。3）對TiO2光催化劑薄膜以及光催化劑固載化進行研究。二氧化鈦光催化材料的研究大多是在懸浮體系中進行，采用粉末狀光催化劑，而由于粉末狀光催化劑存在易失活、易凝集、難回收等缺點，使其應用受到限制。對此，可把TiO2薄膜涂敷在一些基材（如陶器、纖維、玻璃、金屬、樹脂、塑料等）表面就可組成一個很好的光催化體系，這樣既可以克服粉末狀光催化劑的缺點，且不造成二次污染，金屬基體還可進行循環利用，同時，將基體做成一定形狀，可以使污水與光催化材料充分接觸，而且可有目的地進行區域化污水處理，不會在水中產生過多的沉淀性物質。4）設計新型合理經濟的光催化反應器，探索新的光催化分解對象以及新用途。近幾年，已有許多專家把TiO2光催化研究領域推廣到生物有機體的范疇，探討如何摧毀細胞組織、細胞間膜和細胞膜，這一領域研究的意義不僅在于尋找新類型的光催化分解污染對象（如細菌、病毒、藻類等有機生物體），還可能對殺滅癌細胞的研究探索出新的方法。

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聯系方式：wangyg305@163.com

Present research status of nano-sized TiO2photocatalyst

Wang Yuguang
（School of Tourism Management，Inner Mongolia Finance and Economics College，Hohhot 010051，China）

Mechanism，structure，basic properties of TiO2photocatalyst as well as present researches on modification etc.were introduced in detail.Influences of crystal phase，mixture phase，and nano-size effect on photocatalytic properties were discussed.By analyzing the mechanisms of defects formed by doping elements，the effects of doping on photocatalytic properties were summarized.Problems existed in technique and application of photocatalytic material were reviewed.Meanwhile，the research ideas and directions in the future were indicated.

nano-sized TiO2；photocatalyst；application

TQ134.12

：A

：1006-4990（2012）03-0050-04

2011-09-21

王玉光（1954—），男，本科，副教授，主要從事二氧化鈦材料的研究與應用以及教學和科研工作，已發表論文20余篇。