介孔二氧化鈦的應(yīng)用

溫耐

摘 要：介孔二氧化鈦由于其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)而被廣泛研究。具有高表面積和孔徑均勻的介孔二氧化鈦材料被應(yīng)用在眾多領(lǐng)域。這里主要綜述了介孔二氧化鈦在光催化，太陽(yáng)能電池，鋰離子電池，傳感器和催化劑載體方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：介孔二氧化鈦材料；光催化；太陽(yáng)能電池；傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.047

0 引言

最近研究發(fā)現(xiàn)二氧化鈦應(yīng)用在光催化能夠分解凈化各種各樣在水和空氣中的污染物，實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化。另一方面，在染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）應(yīng)用中，介孔二氧化鈦具有高表面積和大的孔徑率常常能滿足高效率的需求。此外介孔TiO2在鋰離子電池、傳感器和催化劑載體方面的應(yīng)用也被廣泛的研究。

1 介孔二氧化鈦在光催化中的應(yīng)用

氫被認(rèn)為是未來(lái)的理想燃料。目前，商業(yè)生產(chǎn)氫（高達(dá)95%）主要來(lái)自于化石燃料。由于其成本低和清潔可再生的過程，光催化分解水成為一個(gè)有前途的替代品。二氧化鈦被已經(jīng)證明是作為用于光催化最優(yōu)選的半導(dǎo)體之一，由于其適當(dāng)?shù)膸逗臀恢茫吡孔有剩瑹o(wú)毒性，成本低，并長(zhǎng)期穩(wěn)定，這已被廣泛用于在光催化水分解為氫代，以及在水和空氣凈化污染物分解上。TiO2是在光催化水分解中最廣泛使用的半導(dǎo)體。

在光催化分解水的過程中主要有三個(gè)步驟（圖1）：（1）通過半導(dǎo)體光催化劑的光子吸收形成電子 - 空穴對(duì)；（2）載體分離和遷移到

催化劑表面上；（3）氧化還原反應(yīng)，以產(chǎn)生H2和O2。在第二步驟中，為了最大限度地減少缺陷載體（電子和空穴）復(fù)合，并實(shí)現(xiàn)高分離效率，通常期望光催化劑具有理想的高結(jié)晶度。在第三步驟中，期望有一個(gè)大的光催化劑表面積，因?yàn)樗梢蕴峁└嗟奈胶头磻?yīng)位點(diǎn)。介孔TiO2作為光催化水分解過程的半導(dǎo)體光催化劑無(wú)論是高結(jié)晶度和大表面積都是非常理想的。

最近環(huán)境保護(hù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，多相光催化環(huán)境清理一直是最活躍的領(lǐng)域之一，由于光催化生成電子空穴對(duì)的同時(shí)沒有創(chuàng)建有害副產(chǎn)品，被認(rèn)為是一個(gè)綠色的方法。根據(jù)氧化還原每一個(gè)吸附物的潛能（或能量）會(huì)發(fā)生自發(fā)吸附在流體階段（氣體或液體）：實(shí)現(xiàn)接受分子的電子轉(zhuǎn)移收益，而積極的空穴轉(zhuǎn)移到供體分子上。光催化反應(yīng)的發(fā)生，可使有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物，甚至微生物降解或轉(zhuǎn)化為較少的有害物質(zhì)。作為與光催化水分解類似，需要二氧化鈦的高結(jié)晶度和大表面積達(dá)到一個(gè)高的光催化活性。

增加活性的另一種方法是通過摻雜的方法增強(qiáng)二氧化鈦材料對(duì)可見光的吸收。Liu等發(fā)現(xiàn)了可大大增強(qiáng)可見光吸收和光催化活性的高B/N摻雜介孔TiO2。他們提出，形成B摻雜二氧化鈦的氮化后在表面上形成O-Ti-B-N的結(jié)構(gòu)。B/N摻雜的介孔二氧化鈦的羅丹明光降解反應(yīng)活性比分別在紫外的照射和可見光的照射下的未摻雜的樣品高22和65倍[1]。O-Ti-B結(jié)構(gòu)的存在有助于可見光吸收和O-Ti-B-N結(jié)構(gòu)用作一種有效的助催化劑。O-Ti-B-N結(jié)構(gòu)的形成導(dǎo)致便于分離和電荷載體傳輸，從而促進(jìn)了光催化活性的良好表面結(jié)構(gòu)的形成。

2 介孔二氧化鈦在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

雖然傳統(tǒng)的光伏設(shè)備（硅基太陽(yáng)能電池）可以將光子直接轉(zhuǎn)換成電子，但這些電池因高昂成本與常規(guī)發(fā)電方法缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。相反，DSSC由于它們的高的轉(zhuǎn)換效率和低成本吸引了眾多目光，并且基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)已進(jìn)行了廣泛的研究階段。截至目前，整體轉(zhuǎn)換效率已被證實(shí)超過11%。典型的DSSC包含沉積在透明導(dǎo)電氧化物（TCO）玻璃上的TiO2納米晶層和電解質(zhì)系統(tǒng)以及Pt對(duì)電極（圖2）。 二氧化鈦的作用是從染料到TCO上的染料分子吸附和光激發(fā)電子的運(yùn)輸。具有10-30nm尺寸的納米晶二氧化鈦已經(jīng)被用來(lái)構(gòu)造一個(gè)無(wú)序的納米多孔層。有序中孔二氧化鈦膜可以表現(xiàn)得更好，因?yàn)楦弑砻娣e的有序孔隙會(huì)提供給染料和空穴轉(zhuǎn)運(yùn)更好的可接近性。

3 介孔二氧化鈦在鋰離子電池中的應(yīng)用

二氧化鈦理論上可以容納一個(gè)鋰公式單元作為L(zhǎng)ixTiO2（0≤x≤1），涉及Ti4+ / Ti3+氧化還原電對(duì)。二氧化鈦等提供了一些在充放電過程中有吸引力的功能有較低體積變化，較低的生產(chǎn)成本和低毒性。雖然二氧化鈦的工作潛力對(duì)于負(fù)電極是高的，但是其在常見的電解質(zhì)中的電化學(xué)穩(wěn)定性和沒有有害固體電解質(zhì)界面（SEI）層上產(chǎn)生更好的超載保護(hù)和安全。銳鈦礦相通常被認(rèn)為是在二氧化鈦的不同多晶型物中的最電活性的。使用六角孔壁結(jié)構(gòu)的二氧化鈦?zhàn)鳛殇囯x子電池的電極材料，獲得了大的比容量及高的充放電速率。大比容量起因于納米材料的高表面積，而充放電高速率歸因于介孔二氧化鈦納米管的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另外，Yoon等報(bào)道，空心核殼介孔TiO2球表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能和高倍率性能高容量[2]。

4 總結(jié)

總之，具有比表面積大，孔徑均勻和傳質(zhì)開放式架構(gòu)的介孔TiO2具有許多良好的應(yīng)用前景。介孔TiO2在光催化，太陽(yáng)能電池，鋰離子電池，傳感器和催化劑載體方面的應(yīng)用已經(jīng)被廣泛研究。為了實(shí)現(xiàn)更加多的高效性能，具有高結(jié)晶度，混合物結(jié)晶相，特定的結(jié)晶面，不同摻雜物，特殊形態(tài)，或多功能結(jié)構(gòu)（例如核 - 殼結(jié)構(gòu)）的介孔二氧化鈦材料仍然需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.Yoon，A.Manthiram，J.Phys.Chem.C 115（2011）9410—9416.