纳米氧化钛光催化材料及应用

纳米氧化钛光催化材料及应用SeminarⅠ1主要内容纳米氧化钛光催化原理简介纳米氧化钛光催化材料的制备纳米氧化钛光催化材料的应用展望2光催化技术的发展概况[1-3]1972年Fujishima和Honda在n-型半导体TiO2电极上发现了水的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕。1976年Garey用TiO2光催化剂脱除了多氯联苯中的氯，1977年Frank光催化氧化CN-为OCN-，光催化技术在环保方面的应用研究开始启动。近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的应用研究发展迅速，纳米光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。3半导体（TiO2）光催化原理简介[4-5]4二氧化钛晶体的基本物性[6]氧化钛结构相对密度晶系晶格常数/nm禁带宽度/eVabc锐钛矿相3.84四方0.536*0.9533.2金红石相4.26四方0.459*0.2963.0板钛矿相4.17斜方0.9150.5440.514*5锐钛矿相和金红石相二氧化钛的能带结构[7]

CB/e-

VB/h+

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VB/h+

3.2eV3.0eV0.2eV两者的价带位置相同，光生空穴具有相同的氧化能力；但锐钛矿相导带的电位更负，光生电子还原能力更强。混晶效应：锐钛矿相与金红石相混晶具有更高光催化活性，这是因为在混晶氧化钛中，锐钛矿表面形成金红石薄层，这种包覆型复合结构能有效地提高电子－空穴对的分离效率锐钛矿相金红石相6纳米光催化剂的效应[8-9]量子效应

当半导体粒子的粒径小于某临界值时，导带和价带间的能隙变宽，光生电子和空穴的能量更高，氧化还原能力增强载流子扩散效应

粒径减小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子和空穴的复合几率减小，光催化效率提高表面积增大效应粒径减小，表面积增大使吸附底物的能力增强，可促进光催化反应的进行将光催化剂的粒子纳米化，可以有效提高量子产率，利于光催化反应7TiO2光催化材料的特性[10]纳米TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂之一光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带之间的能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化性强）化学性质稳定(耐酸碱和光化学腐蚀),对生物无毒在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜原料来源丰富8纳米氧化钛材料的制备—纳米氧化钛粉体[11-15]物理法常用的有构筑法（如气相冷凝）和粉碎法（高能球磨法）化学法制备方法前驱体特征沉淀法Ti(OBu)4TiCl4尺寸小、均匀分散水解法TiCl4通过对反应条件的控制可获得混晶、无定形的多孔氧化钛喷雾热解法TiCl4电解质影响形貌和团聚体尺寸溶胶-凝胶法Ti(OBu)4可容易实现掺杂，但颗粒分布尺寸宽氧化-还原法Ti+H2O2200℃煅烧得到锐钛矿与金红石的混晶水热法TiCl4可制备不同晶相的氧化钛，结晶度好9纳米氧化钛材料的制备—纳米氧化钛薄膜[16-19]制备方法前驱体特征液相沉积法氟钛酸铵透明，颗粒分布均匀溶胶-凝胶法Ti(OBu)4

膜厚与镀膜次数密切相关，薄膜致密、孔洞少，颗粒均匀化学气相沉积法异丙醇钛均为锐钛矿相，无金红石相结构热分解法异丙醇钛膜厚可有效、可控制的增加，薄膜表面平整，颗粒均匀磁控溅射法纯Ti直流磁控溅射，膜厚约200nm；高质量，高密度，良好的结合性和强度10在沸石分子筛中组装氧化钛TiO2是极性分子，有极化的表面，不利于与非极性有机物分子的接触载体可能因为表面呈酸性或参与催化反应的中间过程，而使TiO2催化活性提高浸渍法制备在介孔材料孔道表面修饰氧化钛利用介孔分子筛的高比表面积（>200m2/g）提高氧化钛与底物分子的接触表面积，从而提高其催化活性原位合成或二次合成多孔氧化钛的制备孔径在介孔范围，在多相催化反应中，底物、生成物有较快的扩散速度粉体中的氧化钛纳米晶和其中的介孔构成微米级的聚集体，既有较高的活性，又易于过滤，对光催化剂的回收和再生有重要意义。有较高的水热稳定性和热稳定性具体应用中能对其表面进行进一步的改性溶胶-凝胶两步合成法。先制备可控结构的钛硅复合氧化物，然后溶掉其中的氧化硅纳米氧化钛材料的制备—在孔材料中修饰氧化钛和多孔氧化钛[20-22]11耦合半导体提高系统的电荷分离效果，扩展光谱响应的范围。其修饰方法包括简单的组合、掺杂、多层结构及异相组合等。如CdS-TiO2体系。纳米氧化钛材料的制备—复合光催化材料[23-25]TiO2光吸收仅限于紫外区，限制了对太阳光的利用；光生载流子容易重新复合，影响了光催化的效率。复合半导体CdS-TiO2光催化剂中的光激发12纳米氧化钛材料的制备—复合光催化材料金属沉积

Pt、Pd、Au、Ag、Ru等是较常用的惰性金属，其中Pt最为常用。降低光生载流子的复合率，提高催化剂的反应活性。离子修饰金属离子是电子的有效接受体，可捕获导带中的电子。由于金属离子对电子的争夺，减少了生载流子的复合，从而提高催化剂的活性。适当掺杂过渡金属离子（如Fe3+、Cu2+）能阻碍光生载流子的复合13纳米氧化钛光催化材料的应用污水处理空气净化器防雾及自清洁涂层抗菌材料光催化分解水14光催化净化的基本原理示意图15污水处理—污水处理用太阳能光反应器[26]使用太阳光源为辐射光源，通过光催化反应使污水中的有机污染物降解，降低污水的污染程度太阳光线性质光催化剂状态悬浮固定加强型抛物面槽光反应器抛物面槽光反应器下落式膜光反应器非加强型，带反射装置复合抛物面集中光反应器管式光反应器光纤式光反应器非加强型，不带反射装置太阳能池管式光反应器平板光反应器平板光反应器滴式平板光反应器滴式平板光反应器双层外壳平板式光反应器双层外壳平板式光反应器下落式膜光反应器16空气净化器[27]采用光催化氧化技术能在室温下利用空气中的水蒸汽和氧气去除空气中的污染物光催化空气净化器基本净化流程17主要有机物光催化降解反应[28]18防结雾和自清洁涂层方面的应用[29-30]TiO2薄膜有机污垢无机污垢CO2H2O在紫外光照射下，水在氧化钛薄膜上完全浸润。因此，在浴室镜面、汽车玻璃及后视镜等表面涂覆一层氧化钛薄膜可以起到防结雾的作用在窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛薄膜在太阳光照射下产生的强氧化能力和超亲水性，可以实现表面自清洁19抗菌材料[31-32]涂覆有TiO2纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷用于医院、食品加工等场所在医院和公共场所涂刷含有纳米氧化钛光催化剂的抗菌材料，抑制细菌在公共场所的传播含有纳米氧化钛材料的假牙新型的含有纳米氧化钛粉末的牙齿漂白剂含有纳米氧化钛粉体的抗菌纤维活性超氧离子自由基和羟基自由基能穿透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效的杀灭细菌。研究的范围包括TiO2光催化对细菌、病毒、真菌、藻类和癌细胞等的作用。20光催化分解水[1]将二氧化钛用于光催化分解水，产生氢气和氧气，可提供无污染的、高效的、无害的清洁能源二氧化钛光解水的反应机理21高效污水处理用和空气净化用纳米催化剂的制备及其负载化成套装置的生产纳米氧化钛光催化剂在涂料中的应用，实现纳米涂料在外墙和内墙中的应用和产业化纳米氧化钛光催化剂在陶瓷洁具中的研究应用，实现抗菌洁具的产业化纳米氧化钛光催化剂在家电中的应用，实现在自清洁系列家电方面的应用和产业化利用纳米氧化钛光催化剂表面的超亲水性和光催化活性研制开发具有自清洁和抗雾性能的纳米光催化薄膜材料纳米TiO2光催化技术有着广阔的应用前景展望22参考文献FujishimaA,HondaK.Nature,1972,238:37-38CareyJH,LawrenceJ,TosineHM.Bull.Environ.Contam.Toxical,1976,16(6):697-701FrankSN,BardAJ.J.Phys.Chem.1977,81:1484-1486BrillasE,MurE,SauledaR,etal.Appl.Catal.B:Environ.1998,16:31-42AlbericiRM,JardimWF.Appl.Catal.B:Environ.1997,14:55-58申泮文，车云霞.无机化学丛书（第八卷，钛分族).北京：科学出版社，1998SclafaniA,PalmsanoL,SchiavelloM.J.Phys.Chem.1990,94:829-832TrudeauMLandYingJY.NanostructuredMater.1996,7:245–258239.WaldenM,LaiX,GoodmanDW.Science1998,281:1647-165010.HoffmanMR,MartinST,ChoiWetal.Chem.Rev.,1995,95:69–9611.高濂，陈锦元，黄军华等.无机材料学报.1995，10：423-42712.LookJ-L,ZukoskiCFJ.Am.Ceram.Soc.1995,78:21-3213.ArnalP,CorriuRJP,LeclercqD,etal.J.Mater.Chem.1996,6:1925-193214.AyersMR,HuntAJ.Mater.Lett.1998,34:290-29315.BacsaRR,GratzelM.J.Am.Ceram.Soc.1996,79:2185-218816.王晓萍，于云，高濂，胡行方.无机材料学报.2000,15(3),573-57617.ByunD.,JinY.,KimB.,LeeJ.K.,ParkD.J.Hazard.Mater.B,2000,73,199-20618.NegishiN,TakeuchiK.ThinSolidFilms.2001,399,249-25319.TakedaS,SuzukiS,OdakaH,HosonoH.ThinSolidFilms.2001,399,338-34420.Xu.Y,LangfordCH.J.Phys.Chem.1995,99,11501-1150721.郑珊,高濂,郭景坤.无机材料学报.2001,16,98-10222.Q.Zhang,LGao,S.Zheng.Chem.Lett.Int.Ed.1995,34,2014-10172423.FujiiH.,OhtakiM.,EguchiK.,AraiH.J.Mater.Sci.Lett.1997,16,1086-108824.WardM.D.,BardA.J.,J.Phys.Chem.,1982,102,3599-360525.刘畅,景宁钟,杨祝红,陆小华.催化学报，2001,22,215-21826.AlfanoO.M.,BahnemannD.,CassanoA.E.,DillertR.,GoslichR.,CatalysisToday,2000,58,199-23027.岩尾雅俊,安藤孝,竹鼻俊博.工业材料.1997,45,89-9128.韩兆慧，赵化侨.