纳米二氧化钛光催化性能的研究 - 图文

纳米二氧化钛光催化性能的研究

摘要：介绍实验室制备金红石型二氧化钛的一种方法，并通过XRD扫描分析其相

态，经扫描电子显微镜观察所制备的二氧化钛的形貌和尺寸，最后在紫外光照射下研究其对有机物的降解。

关键词：制备；TiO2；纳米材料；光催化。

1、半导体光催化研究的历史

早在1929年人们就知道了涂料的“钛白”现象，即涂料中的二氧化钛能使颜料褪色。后来的研究发现，造成这一现象的原因是TiO2的光敏化行为，即TiO2的光敏化引起油漆中有机物粘合剂的光降解，从而导致尤其涂料的不稳定。20世纪70年代和80年代，从半导体光电化学的发展所获得的知识为半导体光催化的发展奠定了很好的基础。尤其是它证明了二氧化钛能极好的光催化分解污染物。1972 年，日本 Fujishima 和 Honda在Nature 杂志上报道，发现在光辐射的TiO2半导体电极和金属电极所组成的电池中，可持续发生水的氧化还原反应，产生H2。这一发现非常有意义，表明通过半导体电极，可把光能转化为化学能。从那时起，来自化学、物理、材料等领域的许多科学家们围绕太阳能的转化和储存、光化学合成，进行大量的研究，探索该过程的原理，致力提高光催化效率。

Fujishima 和Honda 的研究工作引起了人们对半导体在光作用下能否用于污染控制的兴趣，而半导体光电化学的研究结果为开展这一工作奠定了基础。从七十年代初期以来，国外许多学者竞相开展这方面的研究。1976 年，J. H. Cary报道了TiO2 水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯，注意到TiO2 水体系在光照条件下可非选择性氧化(降解)各类有机物，并使之彻底矿化，生成CO2 和H2O。同年S. N. Frank 等研究了多晶电极/氙灯作用下对二苯酚、I-、Br-、Cl-、Fe2+、Ce3+和CN-的光解和用粉末来催化光解水中污染物取得了满意的结果。S. N. Frank 等在1977 年又用TiO2、ZnO、CdS、Fe2O3、WO3等多种催化剂在氙灯作光源情况下，对CN-和SO32-进行光解研究，结果TiO2、ZnO、CdS能有效催化氧化CN-为CNO-；TiO2、ZnO、CdS 和Fe2O3 能有效催化氧化SO32-为SO42-，其反应速度均大于3.1×10-6 mol / (d·cm2)。

八十年代中期开始，我国学者也开展了半导体光催化的研究。各国环境科学工作者在这一领域进行了广泛而深入的探索，取得了许多可喜的成绩，并在环保方面得到了应用。大量研究证实，烃类和多环芳烃、卤化芳烃化合物、染料、表面活性剂、

农药、油类、氰化物等都能有效地进行光催化反应，脱色、去毒，矿化为无毒无机小分子物质，从而消除对环境的污染。在二十多年的时间内，国际上就半导体(主要是TiO2)光催化问题召开过多次学术会议，举行过高级研讨班和专题研讨会，出版了专著，发表的研究论文更是不计其数。半导体光催化是目前光化学方法应用于污染控制的诸多研究中最活跃的领域，成为污染控制化学研究的一个热点，形成了新的研究领域。

目前，国内外研究者就半导体光催化诸多方面的问题开展了深入地研究，其主要内容有：半导体光催化材料的筛选、制备，半导体光催化活性产生的机制及所产生的活性物种，TiO2 光催化剂的固定化及尺寸量子化，半导体光催化矿化各种有机物的机理，各种形式的半导体光催化反应器，水中和气相中各种污染物光催化降解动力学等。至今，已研究过的半导体光催化剂包括TiO2、CdS、WO3、Fe2O3、ZnO、ZnS、SnO2 等,其中CdS、TiO2 催化活性最强，但CdS 在光照条件下自身不稳定易发生化学或光化学腐蚀，而TiO2 的化学性质比较稳定且成本低、无毒、催化活性高、氧化能力强最为常用。但由于TiO2 吸收的太阳能仅占总太阳能光强的3%，因此，围绕TiO2 改性、提高太阳能的转化率、改进光催化方法和光反应器，提高光催化效率，仍然是广大研究者进行的一个课题。

2、二氧化钛半导体光催化材料研究的目的和意义

新型纳米二氧化钛光催化材料的合成及反应研究， 随着全球工业化进程的不断发展，环境污染问题日益严重，环境保护和可持续发展成为人类必须考虑的首要问题。光催化技术作为绿色化学的一个代表是近三十年以来发展起来的新兴研究领域。大量研究表明，水和空气中各种有毒有害的污染物，化工生产中排放的各种烷烃、芳烃及其衍生物、卤代物、多环芳烃和杂环化合物等大都能被光催化降解。把纯洁无污染而又取之不尽的光能的应用与环境保护结合起来的光催化剂和反应设备用来降解工业废水中有毒、有害、难分解的有机物的研究具有深远的战略意义，半导体光催化材料也成为科学家们研究的重点。

二氧化钛

纳米二氧化钛多相光催化降解有机污染物以其反应速度快、适用范围广、深度氧化完全、能充分利用太阳光和空气(水相中)的氧分子等优点而倍受青睐，特别是当有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时，这种技术有着更明显的优势。 二氧化钛光催化技术的研究在最近10年得到了较快的发展，然而总体上仍然处于理论探索和实验室阶段，尚未达到产业化规模。

光催化技术可利用太阳能降解有机物,无二次污染,反应条件温和,具有“能”和“环保”双重重要意义。TiO2作为一种半导体光催化剂,因其具有氧化能力强,物理化学性质稳定,无毒、价格低廉等优点,在环境净化领域一直处于研究的核心地位。然而TiO2因其只能利用紫外光,导致材料本身在太阳能利用方面效率偏低,以及光生电子-空穴容易复合,是制约其在实际应用中的关键。如何使光催化剂有效利用太阳能和提高电子-空穴分离效率来提高光催化活性一直被广大学者所关注。

自然界存在的二氧化钛有三种变体：金红石（ rutile titanium dioxide）为四方晶体；锐钛矿 （anatase titanium dioxide）)为四方晶体；板钛矿为正交晶体。见图2.1

图2.1

二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑；它又具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。钛的氧化物——二氧化钛，是雪白的粉末，是最好的白色颜料，俗称钛白。以前，人们开采钛矿，主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。二氧化钛是世界上最白的东西， l克二氧化钛可以把 450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大10倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外，为了使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。

金红石型在高能 （较短波长）吸收辐射能较锐钛型大，换句话说，对于金红石型钛白粉，在具有很强杀伤力的UV-波长段内（350-400nm），它对紫外线的反射率要远远低于锐钛型钛白粉，在这种情况下，它对周围的成膜物、树