納米二氧化鈦的可控制備及其光催化和光電性能的研究

張寧

摘 要：納米二氧化鈦光催化技術是一種高級的催化氧化技術，室溫條件下利用這種技術可將空氣或水中有機污染物無選擇性氧化，因此這項技術在環境保護、新能源開發方面有著廣泛應用空間。同時納米二氧化鈦是一種新型半導體材料，其光催化氧化技術在空氣凈化、光能轉化等領域有著廣闊應用前景。因其具有優良光催化特性，在光電轉換、太陽能儲存和利用等方面具有廣闊應用前景。本論文簡明扼要地介紹了影響二氧化鈦光催化效率的因素、納米二氧化鈦光催化技術實用性的難題，針對納米TiO2在實際應用中存在的問題，對納米TiO2光催化效率的提高進行了探究。

關鍵詞：TiO2;光催化;光電性能

1 引言

目前人們尋找和嘗試治理環境的辦法有物理吸附、化學氧化、微生物分解等。這些方法能在一定程度上解決環境污染問題，但還存在著不足。因此尋找一種效率高能耗低、適用范圍廣、催化效果佳的化學污染物治理技術是各領域學者共同追求的目標。二氧化鈦是一種白色疏松粉末，無毒、難溶、價格低、活性佳。TiO2具有極強氧化能力，可使污染物完全降解為水和二氧化碳等小分子物質，不會產生二次污染[1]。因此納米二氧化鈦在環境污染治理方面的前景是令人期待的。

2 影響二氧化鈦光催化效率的因素

2.1 晶型的影響

二氧化鈦的三種晶體結構分別是銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型，銳鈦礦型的光催化活性是三種晶型中最好的。

2.2 熱處理溫度的影響

溫度是影響光催化效率的重要因素，隨著溫度升高，二氧化鈦由無定型轉為銳鐵礦型進而轉變為金紅石型。

2.3 光催化體系中的影響因素

在實際光催化體系中，催化劑濃度、體系的pH值、光源等對光催化效率都有影響。

3 納米二氧化鈦光催化技術實用性的難題

3.1 納米二氧化鈦光催化劑的廉價制備

3.1.1 氣相法

氣相法是將擬生長晶體材料通過升華、蒸發、分解等過程將其轉化為氣相，形成飽和蒸汽，冷凝結晶后生長出晶體。氣相法具有顆粒尺寸小、晶體純度較高等優點，但原料成本高、產率低，因而需解決工藝及設備材料問題才能進行實用化大規模生產。

3.1.2 液相法

液相法是選擇合適可溶性金屬鹽，按要求的計量配置成溶液，再用沉淀劑使金屬離子均勻結晶出來。液相法彌補了氣相法的不足，但制備的粒子大小不一、局部濃度易過高、干燥和煅燒時易引起硬團聚，影響產品的使用。

3.2 納米二氧化鈦可見光部分的有效利用

二氧化鈦獨特的能帶結構使其有效激發波長在紫外光部分，但太陽光中這部分能量不足5%，因而導致量子效率低。提高二氧化鈦在可見光部分有以下幾個方法。

3.2.1 貴金屬復合

當半導體和金屬接觸時，會導致載流子重新分布，電子從能級較高的半導體轉到能級較低的金屬，直至二者能級相同形成肖特基勢壘，提高了催化活性。

3 2.2 光敏化

目前已報道的有機光敏化劑有熒光素、葉綠素等。研究最早的有機光敏化劑是吡啶釕，但因釕價格昂貴而受到限制，目前研究最多的是金屬酞菁鐵。

3.3 納米二氧化鈦光催化劑的回收與固載化

常見的載體材料有玻璃類、金屬類、陶瓷類、吸附劑，負載后的催化劑活性有所降低。隨著先進的負載技術和光催化反應器技術的發展，這種方法會獲得更高的催化效率。

4 提高二氧化鈦光催化活性的方法

4.1 窄禁帶半導體復合和摻雜

窄禁帶半導體主要包含CdS、SnO2等，窄禁帶半導體的復合和摻雜因原材料成本低、可充分利用自然光源、合成工藝簡單等優點而被廣泛研究。

4.2 改進TiO2粉體制備工藝

增大光催化性能可通過利用TiO2粉體制備工藝進而控制TiO2粉體的摻雜量、結構性能和分散性。

4.3 改善光催化條件

光催化條件包括介質pH值、光照強度等。pH越大，光降解性能越顯著。光照強度增大，納米CdS上的有機物光催化轉化和分解效率越強[2]。

5 納米二氧化鈦的應用

5.1抗菌除臭

納米二氧化鈦具有良好的光催化活性，可應用于制備抗菌材料。二氧化鈦光催化劑可與細胞或胞內的組成成分發生反應，使細胞菌頭單元失活從而使細胞死亡[3]。

5.2 涂料行業

利用納米二氧化鈦的紫外屏蔽功能，將其制成涂料，能有效地提高涂料的力學性能和耐老化性能。

5.3 太陽能的轉化和儲存

將太陽能轉化為可儲存的電能和氫能源是解決未來能源危機的主要途徑，以TiO2為主的材料光催化分解水制得氫氣是最簡便可行的方式。利用納米二氧化鈦的光致親水性可制得汽車后視鏡等。隨著深入的研究，納米二氧化鈦光催化技術的應用領域不斷擴展。

參考文獻：

[1]向全軍，二氧化鈦基光催化材料的微結構調控與性能增強[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[2] T sutom u Shiragam iShinako Fukam.i Yuji w adashozo yanagida，J. Phys.ChemL1993（97）：12882-12887.

[3]周曉謙，周文淮，納米二氧化鈦光催化特性與應用進展，遼寧化工2002，31（10）：448-451.