纳米二氧化钛光催化材料及其应用

张文凯纳米TiO2光催化材料及其应用光催化技术的发展概况A.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。B.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。C.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。hEg+-ConductionbandAadsAreducedAbandgapValencebandDadsDDoxidizedsemiconductorparticleOverallreaction:D+AhPCDoxidized+Areduced光催化机理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导体材料及其能带光催化剂的纳米尺寸效应

量子效应当半导体粒径小于某一纳米尺寸时，导带和价带间的能隙变宽，光生电子和空穴的能量增加，氧化还原能力增强表面积效应随着粒子尺寸减小到纳米级，光催化剂的比表面积大大增加，对底物的吸附能力增强载流子扩散效应粒径越小，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TiO2光催化材料的特性光催化活性高（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纳米TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂二氧化钛晶体的基本物性形态相对密度晶格类型晶格常数Ti-O距离/nm禁带宽度/eVac锐钛矿3.84正方晶系5.279.370.1953.2金红石4.22正方晶系9.055.80.1993板钛矿4.13斜方晶系TiOTiO6锐钛矿相和金红石相二氧化钛的能带结构CB/e-

VB/h+

CB/e-

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制备方法优点不足溶胶-凝胶法（sol-gel）

粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性好前驱体为钛醇盐，成本高水热合成法晶粒完整，粒径小，分布均匀，原料要求不高，成本相对较低反应条件为高温、高压，材质要求高化学气相沉积法（CVD）

粒径小，分散性好，分布窄，化学活性高，可连续生产

技术和材质要求高，工艺复杂，投资大

微乳液法可有效控制TiO2纳米粉末的尺寸易团聚粉体纳米TiO2光催化剂的制备

环保方面的应用卫生保健方面的应用防结雾和自清洁涂层光催化化学合成纳米TiO2光催化剂的应用

有机污染物的处理

无机污染物的处理

1.

光催化能够解决Cr6+、Hg2+、Pb2+等重金属子的污染问题

2.

光催化还可分解转化其它无机污染物，如CN-、NO2-、H2S、SO2,NOx等室内环境净化环保方面的应用主要有机物光催化降解反应测试条件气体浓度放入涂料板前放入涂料板后一天两天五天七天去除效率（%）氨气（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纳米TiO2光催化绿色涂料对室内氨气等的降解卫生保健方面的应用

灭杀细菌和病毒可以用于生活用水的的杀菌消毒；负载TiO2光催化剂的玻璃、陶瓷等是医院、宾馆、家庭等各种卫生设施抗菌除臭的理想材料使某些致癌细胞失活

防结雾和自清洁涂层方面的应用在紫外光照射下，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TiO2薄膜有机污垢无机污垢CO2H2O有机芽合成光催从化不姜仅可议分解篮破坏角有机诊物，欧在适蚁当条寄件下仆还能渗用来极合成单一些吹有机坊物。某如在似非水破溶剂堵中，仅苯乙窗烯光习催化概聚合真生成推聚苯已乙烯无机柳反应H2O(秆l)稼H2+1狼/2牵O2N2(g胁)+牺3H22N虫H3hh光催券化化喉学合获成PCPC光致丙电子币和空欠穴对推的转贿移速献度慢支，复富合率逗高，危导致眼光催化汇量子石效率捞低只能铅用紫煌外光义活化肌，太摆阳光躬利用蝴率低粉末念状Ti重O2在使辽用过胀程中爬存在学分离尸、回亏收困严难等涂问题纳米Ti旋O2光催士化技熟术的晚不足贵金截属沉亡积离子尖掺杂添加讨适当其的有条机染沫料敏蠢化剂采用息复合寸半导籍体提高Ti疤O2光催蹲化性耀能的糟主要养途径载Pt后的Ti枝O2光催陆化性萌能PtTiO2e-h+h≥Eg

AAreducedDDoxidized

光生园电子浸在Pt岛上庸富集售，光船生空闯穴向Ti备O2晶粒富表面辽迁移指，这柜样形沟成的珍微电熊池促渴进了欣光生浇电子乐和空厘穴的旗分离呼，提什高了扛光催潮化效夸率20陆01年As予ah有i等日著本学歉者报箩道了氮掺届杂的Ti凑O2墓,引起妹人们股对阴久离子掺安杂光材催化叮剂及症其可脊见光脏响应性能蓄的广没泛兴难趣。过渡陕金属膨离子搅的掺弯杂会怠在半导翅体晶吊格中引入届能捕爸获光叼致电吴子和贵空穴礼的缺晴陷；确或改液变结阅晶度遵，使义激发名光的颠波长工红移离子害掺杂仿的Ti厅O2光催乔化性昼能光敏呜化原况理示微意图CBVBhS0S1Ti收O2色素惯或染缝料ES1﹥ECB有光挣生电灯流产窜生CBVBhS0S1Ti挂O2色素管或染河料ES1﹥ECB无光端生电乞流产提生偶合尺型复州合半尽导体吃电荷年分离同示意胡图hCd抛ShTi鹊O2CBVB——++CBVBBB-AA+—+CBVBTi痰O2Sn巷O2—+CBVBhhAA+包覆参型复怖合半再导体盏电荷负分离尝示意休图将光代催化厦剂制许成薄搞膜或晒以微续粒形顺式负胖载于据基质总上：有效谁解决术了悬昨浮相牌光催蛮化剂落分离物回收间难的座问题可以胶克服爆悬浮蔬相催默化剂雹稳定牵性差台、容马易中柳毒等落缺点应用楼活性仗组分胀和载挖体的童功能盗组合沟来设培计新偿型光偶催化核反应劳器但是祸也存烈在光菌催化醉剂分身散度硬降低演，与陶反应轧物接皆触面叫积减族小，材光吸芬收效影果变商差等亭缺点光催除化剂顺固定秆化的黄技术孩优势负载业型Ti府O2光催或化剂璃制备牵方法化学灾气相驾沉积弯法溶胶连－凝询胶法偶联袭法离子竭交换加法液相忠沉积汤法其他锁如粉岩体烧畏结法吃、掺修杂法秃、溅俭射法木等溶胶浑凝胶解法工届艺简佛单,条件姿温和,制得串的催赌化剂党光催饱化活寨性高,是实渐验室器最常膀用的药方法勉。但娃存在介着在搜干燥嫩过程劝中薄饮膜易蛋发生躁龟裂系，薄腾膜厚郊度受骗到限队制的漂缺点纳米Ti信O2光催冰化有费着广抹阔的棵应用堆前景今后积工作斯的重薯点（1）对捧纳米Ti纪O2催化皆剂进步行修收饰，览研制膝复合唇纳米Ti劫O2催化北剂，祝提高