TiO可见光降解染料的研究进展

TiＯ２可见光降解染料的讨论进展摘要：二氧化钛作为一种光催化材料,具有稳定性好、光效率高和不产生二次污染等特点，在净化污染和保护环境方面，被认为是最有应用前景的光催化剂。通过对二氧化钛进行金属掺杂和非金属掺杂改性可以提高二氧化钛的光催化性能,也可以利用染料敏化的途径实现可见光光催化反应。本文介绍了TｉO2可见光在降解染料方面的讨论进展，并对将来的进展进行了展望。关键词：二氧化钛；光催化；染料;掺杂；光敏化自1856年首例合成染料报道至今，已有超过100０0种商品化的染料问世，全球每年染料生产量超过7×1０5吨。含染料废水成分简洁，色度深、毒性强、较难生化降解，始终是工业废水处理的难点［1］。19７2年，日本科学家Fｕjisｈima和Ｈondａ首次发现，在近紫外光的作用下，TiO２单晶电极能使水在常温常压下发生分解反应，标志着光催化反应讨论新时期的开头［２]。但是，人们熟识到半导体催化剂对有机污染物的矿化功能始于1976年Cａrｅｙ等人的讨论工作。他们发现,在ＴｉO2光催化剂存在的条件下,ＰCＢs等发生了有效的光催化降解［3].近年的讨论表明，几乎全部染料均可通过光催化过程得到降解，对于很多无法进行生物降解的，也可以通过光催化过程得到转化。此外，染料本身就能汲取可见光而起到光敏剂作用效果。因此,讨论光催化氧化技术处理染料废水具有重要得实际意义。ＴｉO２无毒、化学性质稳定、光催化活性高，但是它的禁带较宽(３.２ｅV),只有波长较短的太阳光（λ<387nm)的紫外光能被汲取,而这部分紫外光只占到达地面上的太阳光能的4％左右,而可见光却占了太阳光能总能量的4５％以上[4］.因此,扩展半导体TiO2光催化的响应光谱范围，使其在可见光区有较高的光催化活性，已成为目前TｉO2光催化讨论的热点问题。目前的讨论主要集中在对ＴiＯ２催化剂进行改性，如金属离子掺杂、非金属元素掺杂、复合半导体、贵金属沉积、染料光敏化等方面[５]。本文从金属离子掺杂、非金属元素掺杂和染料光敏化等三个方面对改性TｉＯ2可见光降解染料的讨论进展进行介绍。一、半导体ＴiＯ2的光催化机理[6]图1半导体紫外光光催化和染料敏化光催化机理示意图（a)紫外光光催化；(b）染料敏化光催化光催化反应的实质是已激发的反应分子在催化剂作用下发生转移和转化反应。依据起始激发过程的不同,光催化可分为两大类:一类是催化剂首先被光激发，如图1（a）所示，当有能量大于半导体禁带宽度的光照耀时，价带的电子被激发跃迁到导带实现电子和空穴的电荷分离。价带空穴与半导体表面吸附的水反应生成•OH自由基，或者直接与有机物反应生成相应的有机自由基.导带电子可与氧分子反应生成O2-。，这些活性氧物种进攻有机物使其分解直到矿化；另一类是敏化剂首先被光激发，如图1(ｂ)所示，染料激发态向TiO２注入电子后,形成染料正离子自由基和导带电子.导带电子被催化剂表面的O2等捕获形成活性较高的O2—。、•ＯH和•ＯOH等自由基。接下来的一系列简洁的反应导致染料共轭结构的破坏,逐步降解,最终生成CＯ2。二、金属掺杂把金属离子引入到ＴiO2晶格中，可在其禁带中引入杂质能级，减小禁带宽度,使价带中的电子接受波长较大的光激发后,先跃迁到杂质能级，通过再一次汲取能量，由杂质能级跃迁至导带,这样就降低了受激所需的能量，适当的离子掺杂一般可以加强ＴiO2在可见光范围的扩展程度和汲取强度，使其可见光活性得到提高。1990年，Veｒwey等［7］最先发现在半导体中掺杂不同价态的金属离子会转变半导体的催化性质.Cｈoi等[８］系统讨论了包括Ru３＋、Fe３+、Cd2+、Ｐｔ2+、W６＋、Mｏ5＋、Ｃu2+、V5＋、Pｂ2＋、Ｒｈ3＋、La3+、Cｅ4＋、Cr6＋等在内的２１种过渡金属掺杂ＴｉO2的效果，商量了掺杂离子种类、浓度和分散度,掺杂离子ｄ电子构型，在材料中的电位及光照强度等多种因素对TiO2光催化活性的影响。Yｕ等人ADDINＥN．ＣIＴＥ<EndNote>〈Ｃite＞<Author〉Ｙu〈／Aｕthor＞＜Ｙeaｒ>2０06〈/Yeaｒ＞<RecＮum>1４4＜/ＲｅcNｕm>＜rｅcord＞＜rｅc-nｕmbｅr＞144＜／ｒeｃ—nｕmｂeｒ〉<ｒｅｆ—tyｐenａme＝＂ＪouｒnａlArtiｃle”〉１7〈/ref-tｙpe＞〈conｔｒibｕtoｒs><auｔhors＞〈ａuｔhor>Yｕ，J。C</aｕthｏr>〈autｈor〉Li，G.Ｓ〈/author＞〈authoｒ＞Wａnｇ,X。C</autｈoｒ〉＜/ａuthors＞</conｔｒibutoｒs＞＜titｌes＞＜ｓｅｃonｄarｙ-title>Ｃhｅm.Ｃｏmｍun。<／ｓeｃｏndary-tｉtｌe〉</titｌes＞<ｐeｒiodical〉＜fulｌ-ｔitle>Chem．Commuｎ。<／ｆuｌl－tｉtlｅ>〈/peｒｉoｄical〉<pageｓ〉27１７-2719〈/paｇes〉<datｅs><yeaｒ〉2006</yeａr></dateｓ〉＜urls>〈/uｒｌs>〈/recｏrｄ〉〈／Cｉte〉〈/EndＮｏｔｅ＞[9]以甲基蓝降解为模型反应,讨论了Cｒ掺杂介孔TiＯ２(Ｃr—ＴiO２)的可见光催化性能，与TｉＯ2相比,Cr-ＴｉO2的光催化效果更好。Zhｕ等ADDINEＮ。ＣITE<ＥｎdNoｔe>〈Ｃitｅ＞〈Autｈor〉Ｚhu〈/Autｈoｒ＞<Yeaｒ＞200７〈/Yｅaｒ＞<ＲecNｕm>14５〈/ReｃNum〉〈record＞＜reｃ－ｎｕmbｅｒ＞１４5<／rｅc—ｎuｍber〉〈ｒｅf－typｅｎaｍe=”JoｕｒnaｌAｒtiｃle"〉17<／ｒef—ｔyｐe>＜contｒibuｔorｓ>〈authｏrｓ>＜authｏｒ〉Zｈu,J〈/aｕthoｒ>＜authoｒ〉Ren,J<／aｕthor><autｈｏr＞Li，H.X〈/autｈor></ａuｔｈorｓ>＜/contｒibutors〉<ｔitlｅs><secｏｎdary-title＞J．Ｐｈys.Cheｍ。C＜/seｃonｄary－ｔitｌｅ〉＜／tｉｔles＞<peｒiｏdical〉〈fｕｌｌ—titｌｅ>Ｊ．Phys。Cheｍ。C</full-tｉtle〉〈/peｒioｄｉｃal〉〈pａges＞1８９６5-189６９〈/pａｇｅs〉〈vｏlｕme＞111＜/voｌume＞＜datｅs>＜yeａｒ〉20０７〈/ｙear＞<／dates><uｒls＞</urｌｓ＞〈/ｒecord><／Cｉtｅ〉〈／ＥｎｄNoｔe>[1０］用非水解溶胶-凝胶法制备出了Fe掺杂介孔TiＯ2(Ｆe—TiO2）的可见光催化剂，甲基蓝降解实验表明用非水解溶胶—凝胶法制备的Fe-ＴiO2的可见光催化效果比没有掺杂的TiO2要好,同时也比用传统溶胶－凝胶法制备的Fe-ＴｉＯ２要好。周艺等［11]用负载法和共沉淀法制备了掺杂不同稀土(Ｐr、Lａ、Ｈo、Gd、Nd）的ＴiO２，并进行了自然光催化降解甲基橙的实验，讨论结果表明,与纯ＴiO2相比，只有掺杂Gd样品的催化活性有明显提高,掺Pr、Ｇd、Ｎd样品的催化活性提高不大，而掺La样品的催化活性反而下降。可见,掺杂TiＯ２催化活性与稀土的性质、掺杂方式及掺杂量等有关。Wａng等[１２］在复合体系TiＯ２／SｉO２中掺杂Cr6+、Ｃo３＋后，可见光响应增强，使得甲基橙的降解率大大提高，也使得乙醛在可见光催化下被彻底矿化。Ｘie等［13]使用化学共沉淀－胶溶-水热法制备出了Ｃｅ４+改性的TiO２(Cｅ4+—TiO2）.染料X-3B的降解实验表明其光催化性能显著提高。Su等[14]使用超声法制备出了Pr（ＮO3）3－TｉO2可见光催化剂，罗丹明和4-氯苯酚降解实验表明其有很好的可见光催化性能。很多讨论结果都表明,双金属共掺杂ＴiＯ2的光催化性能高于单一金属的掺杂。这是由于，掺入的一种金属离子充当光生电子或者空穴的捕获陷阱,而另一种金属离子相当于引入杂质能级,转变其能级结构，扩展TｉO２的光响应范围,两种金属离子协同作用使得样品的光催化性能提高。闰俊萍等［１５］采纳共沉淀法制备了Cr、Sｂ共掺的TｉＯ2光催化剂，并以甲基橙为目标污染物讨论了其光催化性能。讨论结果表明，Cr、Ｓb的共掺杂使光催化剂的光响应范围延长至了可见光区。沈佳渊［16]分别以浸渍法、溶胶一凝胶法和共沉淀法制备得到了Zn、Ｎd双元素掺杂的纳米ＴiＯ2光催化剂，并考察了它们在可见光下降解亚甲基蓝的光催化性能。结果表明，该共掺杂光催化剂在可见光下有很高的光催化性能,不仅明显高于纯TiＯ2，并且比单掺Ｚn或单掺Nd的TiO2的催化活性也有肯定程度的提高。但有些实验表明部分金属共掺杂时却比单一金属掺杂时的催化活性低。刘崎等［17］采纳溶胶一凝胶法制备了Fｅ、Sn双元素共掺杂的纳米Ti０2材料,并以甲基橙的降解来考察其光催化性能。结果表明，在Fe、Sn共掺杂Ti02的光催化活性的比单掺Fｅ的TｉO2的光催化活性差。他们认为：由于Sｎ金属离子的半径比Ti大,Sｎ很难进入TｉO2的晶格,不能产生缺陷来抑制光生电子空穴对的复合,所以光催化效率也降低.Figｕeras等［1８］通过用钛酸四丙酯为钛源的金属有机气相沉积的方法，制备出了有可见光响应的自掺杂的TiO2薄膜,它能在可见光的照耀下有效地降解一般ＴiO２所不能降解的亚甲基蓝和水杨酸，并且它的光催化活性随着制备的膜的表面的粗糙度的增加而增强.但是该催化剂是存在大量的氧晶格缺陷的不完整晶体，这样的缺陷可能会影响到光催化剂的稳定性。张华等［19]以AgＮO3,LｉI—3H２0和Ti(OBu)4为原料通过液相沉淀的方法制备了纳米AｇI/TiO2复合光催化剂,该催化剂对结晶紫具有良好的降解效果.由于AgI/TiＯ２复合光催化剂内部Agl,Aｇ,I２和TiO２之间的协同效应使得在可见光区域有强汲取和低的光生电子—空穴复合率，从而具有高效的可见光光催化活性。三、非金属掺杂非金属掺杂一般是在TiO2中引入晶格氧空位,或部分氧空位被非金属元素取代,使TiO２的禁带变窄，从而拓宽光的响应范围.早在1９86年Satｏ等[20］就报道了TiCｌ4在ＮH４OH存在的情况下水解制备得到了TiO2具有可见光活性,但他认为这是由于TiO2禁带中存在的ＮＯx杂质能级的缘由，该讨论没有引起广泛的关注。非金属掺杂TiＯ２的讨论真正始于２001年Ａｓahi[２１]在Sｃience发表的氮掺杂的报道。Asahi的工作提出了掺杂应该达到的设计目标,并通过理论计算了F、Ｎ、C、Ｓ、P等非金属元素掺杂，替代氧的氮以及间隙氧等不同形式掺杂后引起的能带结构变化，从实验和理论角度全面地分析了非金属掺杂的可行性和优越性。由此，非金属元素掺杂改性TｉO2飞快成为讨论的焦点.Buｒdａ等［２2]利用直接氨化法制备了N元素掺杂的TiO2光催化剂,催化剂紫外图谱中的汲取边延长至了可见区，并且可见光下对亚甲基蓝具有很好降解能力.Uｍｅｂaｙａshi等［２3]采纳了氧化加热TiS2的方法制备S掺杂的TiＯ2，Ｓ的掺杂使TiO2的汲取边界向可见光区域移动,并在波长大于4２0nm光源下对亚甲基蓝降解,发现在UV光下的活性与纯TｉＯ2相同，在可见光下活性却提高很多。Ｃ元素的掺杂也能使TiO2对光的汲取扩展至可见光区。Khaｎ等[2４］通过加热氧化ＴｉＣ粉末的方法制备了C掺杂的锐钦矿型TiO2粉末,汲取光谱表明，该催化剂的汲取边发生了明显的红移。目前普遍认为,非金属掺杂TiO２的可见光响应机理是通过非金属掺杂(N、Ｓ、C、B)后转变了TiＯ2相应的能级结构，即形成了新的掺杂能级，由于Ｏ的２p轨道和非金属中能级与其能量接近的ｐ轨道杂化后，价带宽化上移，禁带宽度相应减小，非金属离子掺杂形成的掺杂能级在靠近TiＯ２价带的位置.掺杂能级可以接受ＴｉＯ２价带上的激发电子,或者汲取光子使电子跃迁到TｉO２的导带上。由于掺杂能级处于禁带之中,也能汲取长波光子,扩展TiO2汲取光谱的范围，从而汲取可见光,光生载流子而发生氧化还原反应.很多讨论表明,双非金属元素的共掺杂一般都表现为在可见光区有很好响应.V.Gｏmbaｃ等[２5］采纳溶胶凝胶法制备了Ｂ和N共掺杂的ＴiＯ2粉末，讨论表明,该共掺杂粉末的汲取光谱比纯锐钛矿、金红石都蓝移了0．1-０．2ｅV,并在可见光下对甲基橙有很好的降解作用。Liu等[2６]用水热法制备了Ｓ元素掺杂的ＴiＯ2，然后在氨气氛中焙烧，得到Ｓ和N共掺杂的TｉO2，并以亚甲基蓝为目标降解物在可见光下检测了样品的光催化活性，结果表明，比单掺S或Ｎ的活性都提高了很多。Ｏhno等［27]制备了C和Ｓ共掺杂的TiO2，讨论发现，Ｃ和S进入到TｉO２晶格中，使得TｉＯ2的汲取带边发生了较大的红移，在可见光下降解二甲基嘧啶和亚甲基蓝，样品表现出了很高的光催化活性。已有讨论表明，金属和非金属共掺杂时,掺入的金属离子可以扩展TiO2的光响应范围，而掺入的非金属元素则抑制光生载流子的复合,二者的协同作用，可以制备出高催化性能的催化剂。李红等［2８］采纳溶胶一凝胶法制备了V、Ｓi共掺TｉＯ2,并以甲基橙溶液为目标降解物，考察共掺杂TiO2的光催化活性。实验结果表明，V、Si共掺后样品的催化性能比单掺Si样品和和单V掺杂样品的催化性能都有所提高。他们认为：V离子掺入后替代了TiＯ2晶格中的部分Tｉ原子，形成了Til－xVxＯ2.同时转变了半导体的能级，减小了其禁带宽度，增强了对可见光的汲取。Si的入使TiＯ２增加了OH·和·O2基团,充当了电子和空穴的捕获阱，降低了电子与空穴的复合率,提高了ＴiＯ2的光催化性能。Ｌｉu等［２９］采纳原位水热法制备了S、La两种元素共掺杂的二氧化钦光催化剂,该催化剂可见光下有比较强的汲取，在可见光下降解亚甲基蓝能力也很强，降解率达9８.４%。李越湘等［30］采纳溶胶－凝胶-浸渍法制备了Eu3+、Ｓｉ4+共掺杂TiO２光催化剂,并以甲基橙溶液为目标降解物,考察其在可见光下的光催化性能.实验结果表明，两种元素共同掺杂后,催化剂的降解能力比未掺杂TiO2的活性高了很多。与单掺杂Ｅｕ3＋、或单掺杂Sｉ4+相比活性也有提高。他们认为由于二者之间的相互作用提高了样品的光催化活性。由于Eu3+的掺入能够促进Si4+进入TiＯ2的晶格中，同时处在表面的Eｕ3＋充当了光生电子的捕获阱。光敏化染料敏化一般涉及３个基本过程［31］：染料吸附到半导体表面；吸附态染料分子汲取光子被激发；激发态染料分子将电子注人到半导体的导带上。因此，要制得有效的敏化要满意２个条件：染料容易吸附在半导体的表面及染料激发态（通常是单线态)的能级于半导体的导带能级相匹配.另外还要求染料的激发态寿命足够长,使之有充分的时间完成电子注入。１99１年,瑞士科学家Griｉtｚeｌ[32］在染料敏化纳晶二氧化钛太阳能电池讨论领域取得突破，电池光电转换效率可达７。１％，这给了正在寻找拓展TiO2光谱响应的人们一个重要的启示,它为利用可见光处理（含染料废水供应了一种新的可能的途径。这方面国内外的讨论人员作了大量细致的工作[33－3７]，取得了在可见光激发下染料污染物降解的重要进展。常用的光敏剂有钉吡啶类络合物、赤鲜红Ｂ、硫茧、曙红、叶绿酸、酞菩、紫菜碱、玫瑰红、荧光素衍生物等。相比较而言，钉吡啶类络合物等金属基光敏化剂的敏化效率高、稳定性好，讨论的较多[19]。讨论发现，在TｉO2催化剂存在下,四碘荧光素、罗丹明Ｂ、酸性桃红Ｂ、曙红、孔雀绿、酸性橙、乙基橙、虎红、结晶紫、品红、茜素红、方酸箐、碱性蓝、重氮染料、酚藏花红、活性艳红X－3B。活性红1９8和橙Ⅱ等染料都可以发生有效的光敏化降解[38].光降解的产物是一些有机小分子如二乙胺、Ｎ－乙基乙酰胺、N—乙基甲酰胺、N,N－二乙基乙酰胺、N，Ｎ-二乙基乙酰胺和甲酸等。茜素红的主要降解产物是苯甲酸。但是对于亚甲基蓝和噻嗪染料，TiO２光催化敏化降解方法无法将其矿化。对一些含N－烷基胺基团的染料,如罗丹明Ｂ、酸性桃红B和结晶紫,它们存在两种典型的降解途径：脱去N—烷基或染料发色团直接开环。这两种相对的倾向性取决于表面修饰的类型。例如，酸性桃红SＲＢ在为修饰的TiO２表面主要以直接开环为主;而在阴离子表面活性剂（DBＳ)存在时,染料首先是通过脱Ｎ-乙基的方式降解。最近的讨论表明［３9]，F修饰TiＯ2（Ｆ-TｉＯ２)可以转变染料分子吸附模型和降解途径。在ＴiO2体系中，罗丹明B通过羧基吸附在TｉO２表面，以直接矿化为主;在F－ＴiO2体系中，通过N－烷基胺端吸附，染料发生快速脱乙基反应直至矿化。王齐[40］等采纳一步水解法制备了无定形ＴｉO２(Aｍ－TiＯ２)，结果表明Am—TｉO２具有大的比表面积和丰富的表面羟基/化学吸附的水，与晶态TｉＯ2相比,Aｍ—ＴiＯ２的汲取边带明显蓝移(41１nm至378ｎm），禁带宽度增加，可见光照耀下Aｍ－TiＯ2样品能快速敏化降解罗丹明B，且罗丹明B降解以脱N—乙基和染料发色团开环同时进行,Am—TiO２催化剂重复使用性能良好,重复使用4次后,罗丹明B的降解速率没有明显变化。染料光敏化方法还存在以下的问题:一是大部分光敏化催化剂体系中敏化剂是吸光物质，反应活性位仍由半导体来供应影响光催化效能的提升，格外是应用于有机污染物处理时，需要考虑有机污染物分子与敏化剂的竞争吸附问题；二是由于光敏化剂在半导体材料表面存在吸附－脱附平衡，或能够发生不行逆反应，光敏化剂易从催化剂表面流失,并且自身也可能发生光降解.此外,染料敏化后的光稳定性还有待于进一步的提高。展望由于ＴｉO2可见光催化剂潜在的应用前景,人们对它进行了广泛的讨论，并取得了肯定的进展。采纳金属离子掺杂、非金属元素掺杂染料光敏化等制备的TｉO２都能在可见光区域内具有较好的响应，表现出可见光催化活性,提升了TiO2光催化技术的讨论价值和使用前景。目前,TiO2光催化面临的主要逆境是当污染物浓度和增加时,降解速率慢,光效率低，反应过程不行猜测。半导体光催化产生的羟基自由基等活性氧物种和价带空穴在有机物降解过程中的作用及其简略机理还不清楚.今后,尚有很多亟待讨论和解决的问题，主要包括：开发新的高效可见光响应的催化剂，提高太阳光的利用率,阐明光催化剂性质的构效关系,提高光催化剂的稳定性，建立污染物的TiO2光催化降解模型等[４１]。此外，在应用讨论方面，目前尚处于实验室讨论阶段,TｉＯ2的制备条件与大规模工业化生产还存在肯定的距离,要完全投入到实际应用中还需要做更深化的讨论工作.参考文献［1］徐守斌,江龙等.化工进展，2０09,2８:428．［2］ＦuｈiｓhimaA，hondａK.Nature，197２，２38，(35８）：３7－３8.[3］CａreyJＨ，ＬawｒenceＪ，etal.Enviroｎ．Contam.Toxicａｌ，1９７６，16：６97-7０1．[4］叶常明，王春霞等，21世纪的环境化学，科学出版社,2０04.[5］王岳俊,TiO2光催化剂的改性及其降解染料的基础讨论[D]。中南高校，200７．[６］戴树桂，环境化学进展，化学工业出版社,20０5.［7］ＨeｐｅｍmａOA,ｅtａl。ＪApplｉｅｄCaｔaｌｙｓiｓ，１９90，62（１)，1．[８]CｈoiＷY，ＴerminA，eｔaｌ.JPｈysChｅｍ,19９4,9８（51）：1３66９-13６７9.[9］Ｊ．C.Yu，Ｇ。Ｓ．Ｌi，X.C.Ｗang，Cｈem。Ｃｏｍmun。２006,２717—２719.[10]J。Ｚhu，J．Ren，Ｈ。Ｘ。Li,J．Ｐhys．Ｃｈｅm.C．２０07，１１１：１８９６5—1８9６９。［11]周艺，徐协文等，中南工业高校学报,200２,33(4）：３７１.［12]ＷａnｇJ，UmaＳmeｔａl.J。AｐplCａtａlysiｓB:Env，２００４，4８（２):151。[1３]Y。B．Xie，C.Ｗ。Yuan,Appｌ。Cａｔal.B。２0０3，46：２５1－259。［14]Ｗ．Y.Ｓｕ，J.X．Chｅn,X．Ｚ。Fｕ，Ａpｐl.Cａｔal。B，200８，77:２6４-２71.［１５]闰俊萍,唐子龙等，稀有金属材料与工程，2０05,３4（3)，42９.[16]沈佳渊，湖州师范学院学报,２003，25(６),6７．［１7］刘崎，陈晓青等,河南化工，20０4，(2），8。[18]ＡｋiS，AbｒahａmＭ，InｄＥngChｅmReｓ，1999，３8：３５８－367．[19］张华，可见光响应TiO２复合光催化剂的制备及光催化性能讨论［Ｄ］，武汉理工高校，200８.[20］SatoS．ChｅｍPｈｙｓLett,１9８6,(123）：１２6-１35。[2１]AsahiR，MorｉkawaT，ｅｔａl．Scieneｅ,20０１，293（１3)：269－273.[22］ＢurdaC，LoｕY，eｔal.Ｎａｎo