改性TiO2光催化劑的研究進展

陳思

(延安職業技術學院， 陜西 延安 716000)

改性TiO2光催化劑的研究進展

陳思

(延安職業技術學院， 陜西 延安 716000)

本文重點探討了改性TiO2光催化劑的研究進展，討論TiO2改性的方法和機理，并對TiO2光催化劑的發展方向進行了展望。

改性二氧化鈦；光催化劑；可見光響應

0 引言

TiO2具有氧化能力強、化學穩定性好、價格低廉等優點，被廣泛應用于電化學，光催化氧化等方面。為了提高 TiO2對可見光響應性能和光催化性能，減小催化劑的禁帶寬度和載流子的復合概率，當前越來越多的研究的熱點集中在TiO2改性研究合成新型光催化材料，如金屬/非金屬摻雜、貴金屬沉積、半導體復合、表面光敏化等。

1 金屬摻雜改性

在TiO2表面摻雜金屬離子，通過改變TiO2粒子的表面結構與性質，擴大對可見光響應范圍，促進電子-空穴對分離，從而提高光催化活性及對太陽能的利用率，如摻雜Zn2+，Fe3+，Mo5+，Ru2+，Re2+等[1]。

2 非金屬摻雜改性

Asahi等[2]首次通過理論計算證明以非金屬元素摻雜改性的可行性，指出N元素摻雜有效能夠顯著提高可見光利用率。隨后，N、C、F、S等非金屬元素摻雜改性逐漸成為研究重點，摻雜方法主要包括：脈沖激光沉積、溶膠-凝膠合成、機械化學法、直接氨化法等。

3 貴金屬沉積改性

金屬與半導體具有不同的費米(Fermin)能級，貴金屬沉積在TiO2表面能夠改變TiO2的電子分布，兩者接觸后電子易從高費米能級的TiO2端遷移到低費米能級的金屬端，直至兩者費米能級相匹配。兩者接觸后形成的空間電荷層，界面產生schottky勢壘[3]，肖特基勢壘這一電子俘獲阱的存在能夠有效捕獲光生電子，促使光生電子與空穴分離大大提高TiO2光催化活性[4]。

4 復合半導體改性

利用窄帶隙的半導體敏化寬帶隙的TiO2，當復合的窄帶隙半導體受光激發時，半導體與TiO2同時發生電子躍遷，導帶與價帶的差異使得光生電子聚集在TiO2的導帶，空穴則留在復合半導體的價帶中，光生載流子的分流度有效提高。分離后的電子(空穴)各自擴散至復合材料表面參與氧化還原反應，從而提高光催化效率。

TiO2與其他半導體結合形成復合型光催化材料，異質結構形成的空間效應有助于分離光生電子與空穴，提高量子效率，從而使得光催化活性顯著改善。常見的半導體復合體系有ZrO2/TiO2，WO3/TiO2，CdS/TiO2，SnO2/TiO2等[5]。

5 光敏改性

TiO2光敏化是指通過物理或者化學的方法在TiO2表面添加光敏化劑，這些物質在可見光下的激發態電勢比TiO2導帶電勢更負，激發產生的電子進入TiO2導帶，在TiO2中產生載流子的過程。一些常用染料(如赤鮮B、曙紅、酞花菁類)、熒光素、葉綠素等都可作為TiO2光敏化劑，此外一些 Pd、Pt和Ti等金屬的氯化物也被用作光敏化劑[6，7]。

6 TiO2固定化

相比將TiO2光催化劑直接作用與液-固相中，將TiO2固定化形成負載型光催化劑能夠有效克服催化劑分離回收難，氣相夾帶的問題[8]。此外，改變載體的類型，調變活性組分和載體的功能，也是提高TiO2光催化性能的有效途徑。近期的研究發現，TiO2等光催化劑與活性炭、碳納米管、石墨烯等復合能大幅度提高光催化性能。

7 結語

改性TiO2能夠有效提高太陽光的利用率，研究TiO2光催化劑改性的方法及改性的機理具有重要的理論和實踐意義。進一步研究工作的應當從以下幾個方面考慮：①進一步研究如何在利用太陽光的同時提高光量子效率；②進一步研究如何保持復合型TiO2在光催化過程中的穩定性；③進一步研究提高TiO2光催化劑的回收利用率。

[1]W Choi，A Termin，MR Hoffmann.The Role of Metal Ion Dopants in Quantum-Sized TiO2: Correlation between Photoreactivity and Charge Carrier Recombination Dynamics[J].Journal of Physical Chemistry,1994,98(51):13669-13679.

[2]Asahi R,Morikawa T,O hwaki T,etal.Science,2001,293 :269-271.

[3]王積森，馮忠彬，孫金全等.納米TiO2的光催化機理及其影響因素分析[J].微納電子技術,2008,45(1):28-32.

[4]張瑩，龔昌杰，燕寧寧等.貴金屬改性TiO2光催化劑的機理及研究進展[J].材料導報,2011,25(15):46-49.

[5]高麗麗，于小迪，劉麒等.改性TiO2光催化氧化在水處理中的研究進展[J].環境科技,2013,26(5):63-66.

[6]劉春慧.表面光敏化TiO2/Ti光電極光電催化氧化水中甲草胺研究[M].哈爾濱工業大學,2008.

[7]陳印，馬曉軍.改性TiO2負載活性炭纖維的研究進展[J].生物質化學工程,2014(4):40-44.

[8]王祖鹓，張鳳寶，張前程.負載型TiO2光催化劑的研究進展[J].化學工業與工程,2004,21(4):248-253.

陳思(1988-)，女，現從事水污染治理相關工作。