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《物理科學(xué)學(xué)院陳友強(qiáng)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、二氧化鈦光催化劑的改性和機(jī)理的研究綜述侯壯，李晨，李岷池,張新霓,陳友強(qiáng)收稿日期：基金項目：國家自然科學(xué)基金（51172112和51272112）資助。作者簡介：侯壯，本科生。通訊作者：陳友強(qiáng)，男，博士，教授。E-mail：chenyq06@126.com（青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，青島266071）摘要：對二氧化鈦的光催化降解有機(jī)物分子的原理進(jìn)行了分析，總結(jié)了影響二氧化鈦光催化效率的因素及近年來國內(nèi)外提高二氧化鈦光催化效率的各種方法及其原理。關(guān)鍵詞：二氧化鈦；光催化；改性中國分類號：O643.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A引言自1972年日本學(xué)者FujishimaA和Honda
2、K[1]在n型半導(dǎo)體TiO2單晶上實現(xiàn)了水的光電解產(chǎn)生氫氣以來，光催化技術(shù)引起了世界科技研究者的重視。之后1977年FrankSN等[2]在光催化降解水中污染物方面做了開拓性的工作，并提出可將半導(dǎo)體微粒的懸浮體系應(yīng)用于處理工業(yè)污水。近二十年來，人們對光催化機(jī)理研究做了大量探討，弄清楚了半導(dǎo)體光催化劑的作用原理，開發(fā)了大量光催化材料，其中二氧化鈦因其穩(wěn)定性好、成本低、光催化活性強(qiáng)、對人體無害等性質(zhì)而最具應(yīng)用前景，科技工作者圍繞二氧化鈦的光催化特性開展了大量的研究。其目的在于利用TiO2將安全、清潔和可持續(xù)的太陽能用于解決環(huán)境污染問題。本文將從以下幾個方面介紹TiO
3、2的光催化特性以及改進(jìn)方法。1TiO2的光催化反應(yīng)機(jī)理[3]半導(dǎo)體的光催化活性主要取決于導(dǎo)帶和價帶的氧化-還原電位，一般半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)有填滿電子的低能價帶和空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，當(dāng)能量大于或等于近代寬度（Eg）的光照射在半導(dǎo)體上時，價帶上的電子受激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，在價帶上產(chǎn)生對應(yīng)的空穴。這些電子和空穴在電場的作用下分離并且遷移到TiO2表面。光生空穴具有強(qiáng)氧化性可以掠奪吸附在顆粒表面上的物質(zhì)中的電子，使這些物質(zhì)被氧化，其機(jī)理如下：1.2.3.4.5.其中步驟1表示TiO2吸收大于能帶間隙的能量()的照射光后，價帶上的電子受到激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，在價帶上產(chǎn)生光生空穴，
4、形成空穴—電子對。步驟2表示產(chǎn)生的光生空穴與水溶液中的生成具有強(qiáng)氧化性的自由基。該自由基有很強(qiáng)活性，在一定的程度上可以把所生成的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成水、二氧化碳和無機(jī)礦化小分子。步驟3表示受激發(fā)的電子和氧氣生成,超氧負(fù)離子也是一類有著強(qiáng)氧化還原性的離子。超氧負(fù)離子與水中的氫離子反應(yīng)生成過氧化羥基自由基。同時過氧化羥基自由基分解形成羥基自由基?？偟膩碚f就是羥基自由基分解有機(jī)物形成二氧化碳、水和其他無機(jī)的小分子。所以TiO2在光催化分解有機(jī)污染物方面有著良好的應(yīng)用前景。2影響光催化活性的因素2.1TiO2的晶型與結(jié)構(gòu)TiO2存在板鈦礦（brookite，Eg=3.3eV，λ
5、=375nm）、銳鈦礦（anatase，Eg=3.2eV，λ=385nm）和金紅石（rutile，Eg=3.0eV，λ=415nm）三種晶型[4]。其中金紅石型和銳鈦礦型TiO2屬于四方晶系，由TiO6八面體共點且共邊組成。板鈦礦型的TiO2由TiO6八面體共邊組成。銳鈦礦可以看成四面體結(jié)構(gòu)，金紅石和板鈦礦為有畸變的八面體結(jié)構(gòu)。其中金紅石是板鈦礦和銳鈦礦的高溫相。尤玉飛等[5]用溶膠—凝膠法制備納米TiO2時發(fā)現(xiàn)熱處理溫度不同產(chǎn)生不同晶型的二氧化鈦。當(dāng)熱處理溫度低于400°C時TiO2以非晶態(tài)存在，熱處理溫度為400°C-500°C時出現(xiàn)銳鈦礦相，熱處理溫度為6
6、00°C時出現(xiàn)金紅石相和銳鈦礦相，熱處理溫度為700°C時完全轉(zhuǎn)化成金紅石型的TiO2。由于金紅石型的TiO2能帶間隙比銳鈦礦型TiO2的小，其較正的導(dǎo)帶會阻礙氧氣的還原反應(yīng)，同時金紅石型TiO2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、缺陷少，所以光生電子和空穴在反應(yīng)過程中容易發(fā)生復(fù)合。并且金紅石型TiO2在高溫處理的過程中會引起比表面積的下降。所以其光催化活性會受到很大影響。銳鈦礦型的TiO2的晶格中有很多錯位和缺陷，就有很多氧空位捕捉電子。所以一般情況下銳鈦礦的光催化活性比其他兩種晶型的TiO2高。劉松翠等[4]通過控制無機(jī)鈦鹽的種類和水熱pH的控制成功制出了棒狀的金紅石型、片狀的銳鈦礦
7、型和菱形的板鈦礦型TiO2，并且驗證了三種晶型的光催化活性為銳鈦礦≥金紅石≥板鈦礦。但是有研究表明并非單一銳鈦礦型TiO2的催化活性最高，秦緯[6]等的實驗表明以甲醇溶劑熱制備出的混晶中銳鈦礦與金紅石的比例為8:2時光催化的活性比較高。其原因是由于混合兩種結(jié)構(gòu)的TiO2具有協(xié)同效應(yīng)可以減少光生電子和空穴的復(fù)合，所以增大了TiO2的光催化的活性。2.2TiO2的粒徑光催化反應(yīng)的機(jī)理在于TiO2受到光能大于或等于禁帶寬度的照射后，價帶電子躍遷到導(dǎo)帶形成空穴和光生電子，但是受到激發(fā)后的光生電子和空穴有四種失活的途徑，如圖1所示。途徑A：TiO2受激發(fā)后電子與空穴分離，
8、電子和空穴各自遷移到半導(dǎo)
