二氧化鈦和碳材料復合光催化劑的研究進展

易海艷(武漢市第十四中學，湖北 武漢 430000)

二氧化鈦和碳材料復合光催化劑的研究進展

易海艷(武漢市第十四中學，湖北 武漢 430000)

高效的二氧化鈦和碳材料的納米復合光催化劑的設計與開發在環境治理方面引起了持續的關注。本文主要介紹了二氧化鈦和不同碳材料（CNT,GO，石墨烯）的復合光催化劑制備和特征的研究進展。在結構方面，納米結構的形成過程和參數優化影響著催化劑的活性，同時，本文也對二氧化鈦和碳材料復合光催化劑在廢水中染料的降解進行了綜述。此外，簡要概述了目前二氧化鈦和碳材料復合光催化劑的性能提高手段和未來發展前景。

半導體;二氧化鈦;碳材料

半導體材料在各種各樣的光誘導應用中具有很大的價值，比如有機污染物分解，通過分解水光催化產生氫氣，二氧化碳轉化，涂料的生產，氣體傳感器，催化劑，電子設備（太陽能電池、激光器、探測器），和能量收集設備（發電機）。TiO2是一種具有較寬禁帶寬度的半導體，在光催化劑領域應用廣泛，它具有高激發子結合能，三種可調節的晶體結構（銳鈦礦、金紅石和板鈦礦），以及有效的光催化活性。這三種TiO2不同晶體結構的禁帶寬度分別是3.0，3.2和3.25 eV。除此之外，TiO2具有如下幾種特性：（1）不溶于水；（2）生物和化學惰性；（3）光穩定性；（4）無毒；（5）廉價易得。納米顆粒型的TiO2和形狀較大的單晶和薄膜型TiO2相比，前者展現出了更出色的性能，并且能夠形成多種不同的形態。

特別指出，納米結構的TiO2一直被認為是一種高效的選擇性消除環境污染物的光催化劑，但是它主要吸收的是在太陽輻射能量中占比不到5%的紫外光。在可見光照射下，這種光催化劑被低電子轉換速率和較高的電子-空穴復合率限制了活性。考慮到技術經濟性，開發高效率的可見光光催化劑是十分重要的。近些年研究中，使用相對較低的溫度和經濟的制備方法，將TiO2制備成了納米顆粒，核殼，納米管，納米棒，納米纖維、納米多孔微球，這些納米結構的TiO2被視為提高光催化活性的重大改進。

有機染料是工業生產排放的廢水有害污染物中排放量最大的一類污染物。在染料的制備和應用過程中，排放廢水的染料含量通常為15%。因此，成本低和效率高的水處理技術用來去除染料廢水是十分可取的。光催化劑(如TiO2)由于它們的低成本，無毒和穩定性等優勢，一直被用來完全礦化廢水中的染料分子，從而凈化廢水。研究二氧化鈦納米復合材料是為了增強光催化劑的量子效率，在不同pH值條件下的穩定性以及降解有機污染物的可見光利用率。本文介紹了二氧化鈦和碳材料的納米混合結構的最新研究進展，包括它們的設計思想，催化劑性能，相應的應用以及反應機制。最后，討論了納米結構的復合光催化劑的未來前景。

1 二氧化鈦和碳材料的復合催化劑

TiO2和作為支撐材料的碳材料復合后在復合催化劑內部所形成的異質結構由于獨一無二的結構特性將會影響光催化劑的性能。二氧化鈦和碳材料的復合催化劑產生的光生電子和空穴可以通過有效的內部電荷轉移，在這兩種半導體（二氧化鈦和碳）之間被有效地分離，從而提高催化劑的光催化性能。最近的研究中，多種碳材料（碳納米管CNTs，氧化石墨烯GO，石墨烯）與TiO2復合生成TiO2和碳材料復合光催化劑。這種復合催化劑的光催化性能主要取決于尺寸，形態，制備條件和內部的化學結構。

1.1 二氧化鈦和碳納米管CNT的復合催化劑

TiO2和納米碳材料復合后的納米結構的改進可以提高它們的電荷分離效率和可見光吸收性能。學者Reti等人通過水解吸附在多壁碳納米管MWCNTs表面的鈦前驅體，經過退火后，將TiO2納米顆粒修飾在了碳納米管的表面，從而制備成了TiO2∕MWCNT復合光催化劑。碳納米管CNT的含量和降解污染物的類型在影響復合催化劑活性上起到關鍵性作用。數據表明，MWCNT的含量為5wt%的復合催化劑在降解草酸時的效率是最高的，而MWCNT的含量為1wt%的復合催化劑在紫外光照射下降解苯酚的效果非常好。特別指出，CNT，C60和石墨烯，三種材料與二氧化鈦形成的復合催化劑在可見光下降解三氯苯酚的去除率分別是72%，76%和90%。

學者An等人采用水熱法合成了一系列亞微米級的TiO2∕MWCNT復合光催化劑。這些催化劑由多壁碳納米管和包裹在碳納米管表面的TiO2構成的，其中TiO2顆粒的粒徑范圍是200-600nm。粒徑的大小是通過調節制備參數（比如Ti的前驅體濃度，碳納米管CNT的濃度，反應溫度和時間）進行調節的。他們在實驗中發現結構、尺寸、成分、晶體和理化性質這些參數可以影響復合催化劑的性能。在這些被實驗檢測的催化劑中，CNT含量為18.9wt%的催化劑降解甲基橙的催化性能最好，而且它能夠在功率密度為70mW∕cm2，波長為365nm的LED燈發出的紫外光照射下，在330分鐘內將苯乙烯完全降解。復合催化劑的這些實驗表現歸功于在采用水熱法的制備過程中形成的兩個不同晶面（001和101）增加了協同效應，提高了光催化效率。

1.2 二氧化鈦和氧化石墨烯GO的復合光催化劑

學者Stengl[1]等人采用相同制備過程的均相水解法合成了TiO2和氧化石墨烯，和還原性氧化石墨烯（TiO2∕GO，TiO2∕rGO）的復合光催化劑，這兩種復合納米催化劑在波長為365nm和400nm以上的光照射下的水溶液中，降解染料橙II和活性黑5。為了進一步地提高復合光催化劑的光催化活性，他們采用貴金屬沉積法將貴金屬（Au，Pd和Pt）沉積到了催化劑上。學者Perera等人[2]通過堿性水熱過程制備TiO2納米管（TNT）∕脫氧氧化石墨烯（hGO）的復合光催化材料。這個制備過程具體是通過水熱合成法用市售的二氧化鈦納米顆粒（P90）修飾GO分子層，并將P90顆粒轉變成粒徑為9nm以下的TNTs，并且將其修飾在脫氧氧化石墨烯hGO結構的表面。實驗表明，hGO含量為10%的復合催化劑在降解染料孔雀石綠時的光催化效率，與純TNTs相比提高了3倍。劉等人[3]通過一個水∕甲苯兩相過程制備了TiO2納米棒包裹型的氧化烯復合光催化劑（TiO2-GO NRCs）。和最初的TiO2納米棒和GO-TiO2復合催化劑相比，該復合材料在紫外光照射下降解甲基藍MB和酸性橙AO的光催化活性更高。這種光催化活性的高低主要由于三種材料不同的納米結構和更大的比表面積。學者Kim等人[4]采用溶膠凝膠法和靜電紡絲技術，將GO納米片包裹到一維（1D）的TiO2納米纖維（TiO2NFs）上，制備了TiO2NF-GO復合光催化劑。和純TiO2NFs相比，該催化劑在光催化分解水的性能上是更好的。原因是光催化分解水分成兩個過程，一個過程是氫氣的產生，一個過程是氧氣的產生。該催化劑分解水的原理是被光催化還原的GO納米片將光生電子轉移到比表面積更大的TiO2NFs上產生氧氣和氫氣。

1.3 二氧化鈦和石墨烯的復合光催化劑

程等人[5]通過陽極氧化和電沉積的方法將石墨烯薄膜（GF）修飾到TiO2納米管陣列（NTA）表面，制備合成了催化劑電極TiO2-NTA∕GF。他們使用TiO2-NTA∕GF復合電極材料作為以可見光為驅動力的光催化劑降解亞甲基藍，實驗表明，催化劑電極材料上的GF可以增加紫外光和可見光條件下光催化過程的電荷分離效率和光吸收性能。除此之外，石墨烯和TiO2納米顆粒制備成的復合光催化劑，亞甲基藍的降解的速率系數的測定結果為3.4×10?2min?1，這一結果比遠遠大于銳鈦礦型的TiO2降解亞甲基藍的速率系數3.28×10?1min?1，從而得出該復合催化劑的光催化性能更優異。該復合催化劑性能更優異的原因是相對于銳鈦礦型TiO2（3.2eV），它具有窄的禁帶寬度(2.8eV)，使得石墨烯和TiO2復合之后的光催化劑能帶結構發生了變化，光生電子從石墨烯的導帶轉移到了二氧化鈦的導帶，降低了電子-空穴的復合率，從而提高了光催化性能。

一種三維結構的TiO2和石墨烯的復合水凝膠不但作為光催化劑降解亞甲基藍，也被用作一種可重復使用的光催化劑。通過帶有正電荷的非晶態的TiO2納米顆粒（TiO2NPs）和帶有負電荷的氧化石墨烯GO納米片共組裝，并通過水熱法分別將GO還原，將TiO2NPs結晶化，使得石墨烯包裹在TiO2NPs表面，從而得到該復合催化劑。這些被石墨烯包裹的TiO2NPs復合光催化劑由于禁帶寬度變窄，可見光吸收能力增強以及光生電子從石墨烯納米片上轉移到TiO2NPs上，降低了電子-空穴的復合率，使得復合催化劑性能更加優異。

2 結語

本文總結了最近幾年二氧化鈦和碳材料復合光催化劑的合成與改進方面的研究進展。這種復合光催化劑由于其優異的光催化活性吸引了廣泛的關注。為了增強光催化劑的性能，特別是在可見光驅動下的光響應和電荷轉移能力，研究人員使用不同的制備方法來制備不同納米結構的光催化劑。這些制備方法主要包括水熱合成法、溶膠-凝膠法、靜電紡絲、電化學沉積和超聲化學等方法。另外，通過將TiO2和納米級的碳材料進行復合，可以得到具有合適禁帶寬度的納米復合光催化劑，合適禁帶寬度使得催化劑在降解有機染料時，對可見光的吸收能力得到了增強。因此，當選擇并改進處理廢水的復合光催化劑時，構成復合光光催化劑材料協同效應的優化以及制備過程參數的優化是重要的。由于催化劑的光催化活性取決于它們的光響應范圍和電荷分離能力，因此合理地設計TiO2和碳材料復合催化劑的納米結構是關鍵性的。雖然光催化技術在優化光催化性能的研究上取得了很大的進步，但是我們仍然處于起步階段，在催化劑的開發和市場化應用方面面臨著巨大的挑戰，同時具有極大的發展潛力。

[1]V.Stengl,J.Henych,P.Vomáˇcka,M.Sluˇsná,Photo?chemistry and Photobio-logy 89(2013)1038–1046.

[2]S.D.Perera,R.G.Mariano,K.Vu,N.Nour,O.Seitz,Y. Chabal,K.J.Balkus,ACSCatalysis 2(2012)949–956.

[3]J.Liu,H.Bai,Y.Wang,Z.Liu,X.Zhang,D.D.Sun,Ad?vanced Functional Mater-ials 20(2010)4175–4181.

[4]H.I.Kim,S.Kim,J.K.Kang,W.Choi,Journal of Catalysis 309(2014)49–57.

[5]X.Cheng,H.Liu,Q.Chen,J.Li,P.Wang,Carbon 66 (2014)450–458.

易海艷（1999-），女，土家族，籍貫武漢，就讀于武漢市第十四中學，高中在讀，研究方向是環境科學