氫化黑二氧化鈦-電氣石復(fù)合可見(jiàn)光催化材料的制備及性能

郭湘立，馮艷文，李冬，郭勇*

天津職業(yè)大學(xué)，天津 300410

日本科學(xué)家Fujishima 和Hondain 在1972 年發(fā)現(xiàn)了TiO2電極的光解水現(xiàn)象[1-2]，具有光催化降解能力強(qiáng)、環(huán)境友好、熱化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)的納米TiO2便日益成為研究最多的光催化劑材料之一，并逐步被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，特別是在廢水治理方面展示出了非常廣闊的應(yīng)用前景[3-7]。但是納米TiO2的禁帶寬度為3.0 eV(金紅石型)或3.2 eV(銳鈦礦型)，僅可吸收波長(zhǎng)小于387.5 nm 的紫外線部分，太陽(yáng)能的利用率不到5%[2-4]。影響納米TiO2光催化活性的因素還包括其結(jié)晶度、粒徑、物相、組成、表面積、孔隙率等物理化學(xué)性質(zhì)[8-11]。對(duì)光催化反應(yīng)過(guò)程的研究表明，光催化反應(yīng)的關(guān)鍵是納米TiO2的導(dǎo)帶能否成功捕獲高活性的光生電子(e-)[11-12]。然而實(shí)際上納米TiO2的導(dǎo)帶對(duì)高活性光生電子的捕獲能力較弱，導(dǎo)致TiO2的光激發(fā)電子和空穴對(duì)復(fù)合速率很高，這大大影響了納米TiO2的光催化能力。

電場(chǎng)協(xié)助光催化技術(shù)是提高納米TiO2光催化效率的有效途徑之一，甚至可以提高3 倍以上[11-12]。電氣石(tourmaline)是一種主要由Ca、Al、Na、Mg、B、Fe 等元素組成的環(huán)狀硅酸鹽晶體礦物，物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，具有表面天然電極性，電場(chǎng)強(qiáng)度可到達(dá)1 × 107V/cm。應(yīng)用溶膠-凝膠技術(shù)在電氣石微粉表面擔(dān)載納米TiO2制備納米TiO2-電氣石復(fù)合光催化劑，能夠使電氣石的天然電場(chǎng)和納米TiO2光催化性能發(fā)生協(xié)同增效，產(chǎn)生電場(chǎng)協(xié)助光催化效果。2011 年，Chen 等研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)高溫氫化技術(shù)可以引入晶格缺陷，使白色TiO2材料通過(guò)還原變?yōu)楹谏玊iO2納米材料，而黑色TiO2納米材料的激發(fā)光初始電壓約為1.0 eV，帶隙僅為1.5 eV左右，可有效提高TiO2納米材料的量子效率和光響應(yīng)范圍[13]。……