纳米二氧化钛的可控制备及其光催化和光电性能的研究

作者:未知

  摘 要:纳米二氧化钛光催化技术是一种高级的催化氧化技术,室温条件下利用这种技术可将空气或水中有机污染物无选择性氧化,因此这项技术在环境保护、新能源开发方面有着广泛应用空间。同时纳米二氧化钛是一种新型半导体材料,其光催化氧化技术在空气净化、光能转化等领域有着广阔应用前景。因其具有优良光催化特性,在光电转换、太阳能储存和利用等方面具有广阔应用前景。本论文简明扼要地介绍了影响二氧化钛光催化效率的因素、纳米二氧化钛光催化技术实用性的难题,针对纳米TiO2在实际应用中存在的问题,对纳米TiO2光催化效率的提高进行了探究。
  关键词:TiO2;光催化;光电性能
  1 引言
  目前人们寻找和尝试治理环境的办法有物理吸附、化学氧化、微生物分解等。这些方法能在一定程度上解决环境污染问题,但还存在着不足。因此寻找一种效率高能耗低、适用范围广、催化效果佳的化学污染物治理技术是各领域学者共同追求的目标。二氧化钛是一种白色疏松粉末,无毒、难溶、价格低、活性佳。TiO2具有极强氧化能力,可使污染物完全降解为水和二氧化碳等小分子物质,不会产生二次污染[1]。因此纳米二氧化钛在环境污染治理方面的前景是令人期待的。
  2 影响二氧化钛光催化效率的因素
  2.1 晶型的影响
  二氧化钛的三种晶体结构分别是锐钛矿型、金红石型和板钛矿型,锐钛矿型的光催化活性是三种晶型中最好的。
  2.2 热处理温度的影响
  温度是影响光催化效率的重要因素,随着温度升高,二氧化钛由无定型转为锐铁矿型进而转变为金红石型。
  2.3 光催化体系中的影响因素
  在实际光催化体系中,催化剂浓度、体系的pH值、光源等对光催化效率都有影响。
  3 纳米二氧化钛光催化技术实用性的难题
  3.1 纳米二氧化钛光催化剂的廉价制备
  3.1.1 气相法
  气相法是将拟生长晶体材料通过升华、蒸发、分解等过程将其转化为气相,形成饱和蒸汽,冷凝结晶后生長出晶体。气相法具有颗粒尺寸小、晶体纯度较高等优点,但原料成本高、产率低,因而需解决工艺及设备材料问题才能进行实用化大规模生产。
  3.1.2 液相法
  液相法是选择合适可溶性金属盐,按要求的计量配置成溶液,再用沉淀剂使金属离子均匀结晶出来。液相法弥补了气相法的不足,但制备的粒子大小不一、局部浓度易过高、干燥和煅烧时易引起硬团聚,影响产品的使用。
  3.2 纳米二氧化钛可见光部分的有效利用
  二氧化钛独特的能带结构使其有效激发波长在紫外光部分,但太阳光中这部分能量不足5%,因而导致量子效率低。提高二氧化钛在可见光部分有以下几个方法。
  3.2.1 贵金属复合
  当半导体和金属接触时,会导致载流子重新分布,电子从能级较高的半导体转到能级较低的金属,直至二者能级相同形成肖特基势垒,提高了催化活性。
  3 2.2 光敏化
  目前已报道的有机光敏化剂有荧光素、叶绿素等。研究最早的有机光敏化剂是吡啶钌,但因钌价格昂贵而受到限制,目前研究最多的是金属酞菁铁。
  3.3 纳米二氧化钛光催化剂的回收与固载化
  常见的载体材料有玻璃类、金属类、陶瓷类、吸附剂,负载后的催化剂活性有所降低。随着先进的负载技术和光催化反应器技术的发展,这种方法会获得更高的催化效率。
  4 提高二氧化钛光催化活性的方法
  4.1 窄禁带半导体复合和掺杂
  窄禁带半导体主要包含CdS、SnO2等,窄禁带半导体的复合和掺杂因原材料成本低、可充分利用自然光源、合成工艺简单等优点而被广泛研究。
  4.2 改进TiO2粉体制备工艺
  增大光催化性能可通过利用TiO2粉体制备工艺进而控制TiO2粉体的掺杂量、结构性能和分散性。
  4.3 改善光催化条件
  光催化条件包括介质pH值、光照强度等。pH越大,光降解性能越显著。光照强度增大,纳米CdS上的有机物光催化转化和分解效率越强[2]。
  5 纳米二氧化钛的应用
  5.1抗菌除臭
  纳米二氧化钛具有良好的光催化活性,可应用于制备抗菌材料。二氧化钛光催化剂可与细胞或胞内的组成成分发生反应,使细胞菌头单元失活从而使细胞死亡[3]。
  5.2 涂料行业
  利用纳米二氧化钛的紫外屏蔽功能,将其制成涂料,能有效地提高涂料的力学性能和耐老化性能。
  5.3 太阳能的转化和储存
  将太阳能转化为可储存的电能和氢能源是解决未来能源危机的主要途径,以TiO2为主的材料光催化分解水制得氢气是最简便可行的方式。利用纳米二氧化钛的光致亲水性可制得汽车后视镜等。随着深入的研究,纳米二氧化钛光催化技术的应用领域不断扩展。
  参考文献:
  [1]向全军,二氧化钛基光催化材料的微结构调控与性能增强[D].武汉:武汉理工大学,2012.
  [2] T sutom u Shiragam iShinako Fukam.i Yuji w adashozo yanagida,J. Phys.ChemL1993(97):12882-12887.
  [3]周晓谦,周文淮,纳米二氧化钛光催化特性与应用进展,辽宁化工2002,31(10):448-451.
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