量子點敏化納米二氧化鈦的研究進展

周海鷗 楊明娣（安徽建筑大學材料與化學工程學院，安徽 合肥 230601）

在能源與環境問題日趨嚴重的今天，以半導體金屬氧化物作為催化劑，直接利用太陽光能降解環境污染物的光催化技術已成為水處理領域的重要研究方向之一[1-4]。目前，光催化技術的發展存在兩個關鍵問題：首先是設計并合成在可見光激發下具有較高活性的光催化劑；另一方面則是增加光催化體系的活性表面區域，以利于光催化反應過程中的能量轉移[5-6]。

1 二氧化鈦的敏化

二氧化鈦（TiO2）作為一種金屬氧化物半導體材料，因具有活性高、穩定性好、價廉易得、對人體無害等優點而成為最受重視并廣泛使用的一種光催化劑。但TiO2材料的帶隙較寬（金紅石為3.0 eV，銳鈦和板鈦為3.2 eV），吸收波長位于400 nm以下的紫外光區，只能利用太陽光能量的5%。除此之外，TiO2在光催化過程中所產生的電子-空穴對的快速重結合也限制了純TiO2材料的光催化效果。為了提高TiO2材料的可見光催化活性，研究者們開展了大量工作，結果發現將TiO2與一些可見光響應材料復合形成異質結是一種行之有效的方法，這種方法不僅可以提高其可見光吸收效率，還可以阻止能量的重結合。目前，已有很多貴金屬[7]以及窄帶隙納米材料被用來與TiO2納米材料復合，如CdS[8]，Bi2S3[9]，V2O5[10]，Ag2O[11]，WO3[12]，Bi2O[13]，BiVO4[14]等。

與傳統的窄帶隙納米材料相比，碳量子點（CQDs）作為一種新型的碳質納米材料，已成為一個新的研究熱點。所謂量子點，是指是由半導體材料（通常由IIB-VIA或IIIA-VA元素組成）制成的、穩定直徑在2-20 nm的納米粒子，由于電子和空穴被量子限域，連續的能帶結構變成具有分子特性的分立能級結構，從而獲得獨特的量子效應。碳量子點不僅具有可調節的可見光吸收性，獨特的光催化電子轉移效應和光致熒光效應，還具有化學穩定性和生物相容性好，易功能化的優點，在光催化劑領域有著廣闊的應用前景[15]。一些研究結果表明：碳量子可以和很多半導體材料復合以提高其可見光催化活性，如段輝高課題組通過水熱法制備了具有可見光響應性的CQDs/Fe2O3復合物，并用來對苯和甲醇進行了光催化降解實驗[16]。康振輝課題組通過水熱法合成了具有良好可見光響應性的CQDs/ZnO復合材料[17]。

近年來，在CQDs/TiO2光催化劑的設計與合成方面也取得了重要進展。如劉建軍課題組在低溫條件下合成了CQDs/TiO2納米片復合材料，并在可見光下對羅丹明B進行了光催化降解，實驗結果表明：與純TiO2材料相比，CQDs/TiO2納米片復合材料的可見光催化活性有了很大提高[18]。Liu等通過熱裂解法制備了CQDs/3D-TiO2納米棒簇異質結，產物具有很強的可見光吸收性以及光致發光效應[19]。康振輝課題組利用水熱法制備了CQDs/TiO2納米粒子復合材料，并對其可見光催化活性進行了研究[20]。邵名望課題組利用超聲法合成了石墨烯量子點，與TiO2納米顆粒復合后對亞甲藍進行了可見光催化降解[21]。

2 結語

由于TiO2晶體中001晶面的能量遠高于其它晶面，理論上具有更高的活性。與101晶面主導的TiO2納米顆粒相比，TiO2納米管暴露001晶面更多，因此具有更高的光催化活性。且納米管的中空管狀結構比表面積大，吸附能力強，更易與量子點結合，從而實現TiO2材料的可見光化。但是目前關于CQDs/TiO2納米管的報道尚不多見，而且相關的文獻報道主要集中在新型量子點/TiO2異質結的實驗合成上，對于光催化過程機制，如尺寸形貌、晶面、缺陷、分子與表面的相互作用等對光催化劑電子結構性質的影響則鮮有提及。因此，開展相應的理論計算，模擬與分析，研究CQDs尺寸、密度、二氧化鈦納米管形貌尺寸等因素對CQDs/TiO2納米管電子結構性質（如帶隙及態密度）的影響，對于指導CQDs/TiO2納米管的設計合成，更好的理解整個光催化過程有著重要意義。

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