納米二氧化鈦光催化材料及其應(yīng)用

張文凱納米TiO2光催化材料及其應(yīng)用光催化技術(shù)的發(fā)展概況A.1972年Fujishima和Honda在n-型半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光催化分解作用，揭開了光催化技術(shù)研究的序幕。B.1976年Garey用TiO2光催化劑脫除了多氯聯(lián)苯中的氯，1977年Frank光催化氧化CN-為OCN-，光催化技術(shù)在環(huán)保方面的應(yīng)用研究開始啟動。C.近十幾年來，半導(dǎo)體光催化技術(shù)在環(huán)保、衛(wèi)生保健等方面的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，納米光催化成為國際上最活躍的研究領(lǐng)域之一。hEg+-ConductionbandAadsAreducedAbandgapValencebandDadsDDoxidizedsemiconductorparticleOverallreaction:D+AhPCDoxidized+Areduced光催化機(jī)理GaAs(n,p)0-0.5-1.0-1.5+0.5+1.0+1.5+2.0+2.5+3.0+3.5+4.0CdS(n)ZnO(n)WO3

(n)SnO2

(n)TiO2(n)△E=1.4eV

2.5eV3.2eV3.2eV3.8eV3.2eV--2H+/H2

0-1.0+1.0+2.0+3.0+4.0--Cl2/2Cl-(1.40eV)--O3/O2+H2O(2.07)--F2/2F-(2.87)(NHE)有代表性的光催化半導(dǎo)體材料及其能帶光催化劑的納米尺寸效應(yīng)

量子效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體粒徑小于某一納米尺寸時(shí)，導(dǎo)帶和價(jià)帶間的能隙變寬，光生電子和空穴的能量增加，氧化還原能力增強(qiáng)表面積效應(yīng)隨著粒子尺寸減小到納米級，光催化劑的比表面積大大增加，對底物的吸附能力增強(qiáng)載流子擴(kuò)散效應(yīng)粒徑越小，光生電子從晶體內(nèi)擴(kuò)散到表面的時(shí)間越短，電子和空穴的復(fù)合幾率減小，光催化效率提高TiO2光催化材料的特性光催化活性高（吸收紫外光性能強(qiáng)；禁帶和導(dǎo)帶之間的能隙大，光生電子和空穴的還原性和氧化性強(qiáng)）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定(耐酸堿和光化學(xué)腐蝕),對生物無毒在可見光區(qū)無吸收，可制成白色塊料或透明薄膜原料來源豐富納米TiO2是當(dāng)前最有應(yīng)用潛力的光催化劑二氧化鈦晶體的基本物性形態(tài)相對密度晶格類型晶格常數(shù)Ti-O距離/nm禁帶寬度/eVac銳鈦礦3.84正方晶系5.279.370.1953.2金紅石4.22正方晶系9.055.80.1993板鈦礦4.13斜方晶系TiOTiO6銳鈦礦相和金紅石相二氧化鈦的能帶結(jié)構(gòu)CB/e-

VB/h+

CB/e-

VB/h+

3.2eV3.0eV0.2eV兩者的價(jià)帶位置相同，光生空穴具有相同的氧化能力；但銳鈦礦相導(dǎo)帶的電位更負(fù)，光生電子還原能力更強(qiáng)混晶效應(yīng)：銳鈦礦相與金紅石相混晶具有更高光催化活性，這是因?yàn)樵诨炀а趸佒?，銳鈦礦表面形成金紅石薄層，這種包覆型復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效地提高電子－空穴對的分離效率銳鈦礦相金紅石相制備方法優(yōu)點(diǎn)不足溶膠-凝膠法（sol-gel）

粒徑小，分布窄，晶型為銳鈦礦型，純度高，熱穩(wěn)定性好前驅(qū)體為鈦醇鹽，成本高水熱合成法晶粒完整，粒徑小，分布均勻，原料要求不高，成本相對較低反應(yīng)條件為高溫、高壓，材質(zhì)要求高化學(xué)氣相沉積法（CVD）

粒徑小，分散性好，分布窄，化學(xué)活性高，可連續(xù)生產(chǎn)

技術(shù)和材質(zhì)要求高，工藝復(fù)雜，投資大

微乳液法可有效控制TiO2納米粉末的尺寸易團(tuán)聚粉體納米TiO2光催化劑的制備

環(huán)保方面的應(yīng)用衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用防結(jié)霧和自清潔涂層光催化化學(xué)合成納米TiO2光催化劑的應(yīng)用

有機(jī)污染物的處理

無機(jī)污染物的處理

1.

光催化能夠解決Cr6+、Hg2+、Pb2+等重金屬子的污染問題

2.

光催化還可分解轉(zhuǎn)化其它無機(jī)污染物，如CN-、NO2-、H2S、SO2,NOx等室內(nèi)環(huán)境凈化環(huán)保方面的應(yīng)用主要有機(jī)物光催化降解反應(yīng)測試條件氣體濃度放入涂料板前放入涂料板后一天兩天五天七天去除效率（%）氨氣（mg/m3)1.930.600.320.220.1891甲醛（mg/m3)0.900.430.210.130.0792苯（mg/m3)0.860.640.250.150.0594納米TiO2光催化綠色涂料對室內(nèi)氨氣等的降解衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用

滅殺細(xì)菌和病毒可以用于生活用水的的殺菌消毒；負(fù)載TiO2光催化劑的玻璃、陶瓷等是醫(yī)院、賓館、家庭等各種衛(wèi)生設(shè)施抗菌除臭的理想材料使某些致癌細(xì)胞失活

防結(jié)霧和自清潔涂層方面的應(yīng)用在紫外光照射下，水在氧化鈦薄膜上完全浸潤。因此，在浴室鏡面、汽車玻璃及后視鏡等表面涂覆一層氧化鈦可以起到防結(jié)霧的作用在窗玻璃、建筑物的外墻磚、高速公路的護(hù)欄、路燈等表面涂覆一層氧化鈦薄膜，利用氧化鈦在太陽光照射下產(chǎn)生的強(qiáng)氧化能力和超親水性，可以實(shí)現(xiàn)表面自清潔TiO2薄膜有機(jī)污垢無機(jī)污垢CO2H2O有機(jī)芽合成光催從化不姜僅可議分解籃破壞角有機(jī)診物，歐在適蟻當(dāng)條寄件下仆還能滲用來極合成單一些吹有機(jī)坊物。某如在似非水破溶劑堵中，僅苯乙窗烯光習(xí)催化概聚合真生成推聚苯已乙烯無機(jī)柳反應(yīng)H2O(稈l)稼H2+1狼/2牽O2N2(g脅)+犧3H22N蟲H3hh光催券化化喉學(xué)合獲成PCPC光致丙電子幣和空欠穴對推的轉(zhuǎn)賄移速獻(xiàn)度慢支，復(fù)富合率逗高，危導(dǎo)致眼光催化匯量子石效率撈低只能鉛用紫煌外光義活化肌，太擺陽光躬利用蝴率低粉末念狀Ti重O2在使遼用過脹程中爬存在學(xué)分離尸、回虧收困嚴(yán)難等涂問題納米Ti旋O2光催士化技熟術(shù)的晚不足貴金截屬沉亡積離子尖摻雜添加討適當(dāng)其的有條機(jī)染沫料敏蠢化劑采用息復(fù)合寸半導(dǎo)籍體提高Ti疤O2光催蹲化性耀能的糟主要養(yǎng)途徑載Pt后的Ti枝O2光催陸化性萌能PtTiO2e-h+h≥Eg

AAreducedDDoxidized

光生園電子浸在Pt島上庸富集售，光船生空闖穴向Ti備O2晶粒富表面遼遷移指，這柜樣形溝成的珍微電熊池促渴進(jìn)了欣光生澆電子樂和空厘穴的旗分離呼，提什高了扛光催潮化效夸率20陸01年As予ah有i等日著本學(xué)歉者報(bào)籮道了氮摻屆雜的Ti湊O2墓,引起妹人們股對陰久離子摻安雜光材催化叮劑及癥其可脊見光臟響應(yīng)性能蓄的廣沒泛興難趣。過渡陜金屬膨離子攪的摻彎雜會怠在半導(dǎo)翅體晶吊格中引入屆能捕爸獲光叼致電吳子和貴空穴禮的缺晴陷；確或改液變結(jié)閱晶度遵，使義激發(fā)名光的顛波長工紅移離子害摻雜仿的Ti廳O2光催喬化性晝能光敏嗚化原況理示微意圖CBVBhS0S1Ti收O2色素慣或染縫料ES1﹥ECB有光掙生電燈流產(chǎn)竄生CBVBhS0S1Ti掛O2色素管或染河料ES1﹥ECB無光端生電乞流產(chǎn)提生偶合尺型復(fù)州合半盡導(dǎo)體吃電荷年分離同示意胡圖hCd拋ShTi鵲O2CBVB——++CBVBBB-AA+—+CBVBTi痰O2Sn巷O2—+CBVBhhAA+包覆參型復(fù)怖合半再導(dǎo)體盞電荷負(fù)分離嘗示意休圖將光代催化廈劑制許成薄搞膜或曬以微續(xù)粒形順式負(fù)胖載于據(jù)基質(zhì)總上：有效誰解決術(shù)了懸昨浮相牌光催蠻化劑落分離物回收間難的座問題可以膠克服爆懸浮蔬相催默化劑雹穩(wěn)定牽性差臺、容馬易中柳毒等落缺點(diǎn)應(yīng)用樓活性仗組分脹和載挖體的童功能盜組合溝來設(shè)培計(jì)新償型光偶催化核反應(yīng)勞器但是禍也存烈在光菌催化醉劑分身散度硬降低演，與陶反應(yīng)軋物接皆觸面叫積減族小，材光吸芬收效影果變商差等亭缺點(diǎn)光催除化劑順固定稈化的黃技術(shù)孩優(yōu)勢負(fù)載業(yè)型Ti府O2光催或化劑璃制備牽方法化學(xué)災(zāi)氣相駕沉積彎法溶膠連－凝詢膠法偶聯(lián)襲法離子竭交換加法液相忠沉積湯法其他鎖如粉巖體燒畏結(jié)法吃、摻修雜法禿、濺儉射法木等溶膠渾凝膠解法工屆藝簡佛單,條件姿溫和,制得串的催賭化劑黨光催飽化活寨性高,是實(shí)漸驗(yàn)室器最常膀用的藥方法勉。但娃存在介著在搜干燥嫩過程勸中薄飲膜易蛋發(fā)生躁龜裂系，薄騰膜厚郊度受騙到限隊(duì)制的漂缺點(diǎn)納米Ti信O2光催冰化有費(fèi)著廣抹闊的棵應(yīng)用堆前景今后積工作斯的重薯點(diǎn)（1）對捧納米Ti紀(jì)O2催化皆劑進(jìn)步行修收飾，覽研制膝復(fù)合唇納米Ti劫O2催化北劑，祝提高