納米Tio2進展范文

本站小編為你精心準備了納米Tio2進展參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

cc文秘網摘要：主要介紹了納米tio2的制備，改性以及光催化應用。重點介紹了目前在納米TiO2摻雜改性方面,尤其是非金屬摻雜和共摻雜改性方面的研究進展。氮摻雜的TiO2是新發現的具有可見光催化活性的復合光催化劑,非金屬摻雜可以使復合物的禁帶寬度小于純TiO2的禁帶寬度,從而使TiO2的吸收邊向可見光方向移動。對TiO2的N、C、S、P、鹵素摻雜以及共摻雜的國內外研究現狀進行了評述,分析了提高TiO2可見光催化活性的原因。對納米TiO2光催化應用領域進行簡單介紹,最后提出了在TiO2光催化劑研究中期待解決的問題及今后的發展方向。

關鍵字：納米TiO2制備等離子體催化劑應用

引言

近年來,隨著全球環境污染的日益嚴重,光催化劑材料一直是材料學及催化科學研究的熱點.在光催化領域,TiO2因其具有成本低廉,高的化學穩定性,強氧化性等特點而成為使用最多的光催化劑,以TiO2為主的材料在光催化氧化有機污染物方面得到了廣泛的研究,目前,納米粉體的制備工藝已較為成熟并進入產業化批量生產階段。

以光催化劑為背景的TiO2的研究起源于1972年,日本Fujishima和Honda在Nature雜志上報道,發現在光輻射的TiO2半導體電極和金屬電極所組成的電池中,可持續發生水的氧化還原反應,產生H2,這表明通過半導體電極,可以把光能轉化為化學能,他們的研究引起了人們對半導體在光作用下能否治理污染的興趣,國內外許多學者競相開展這方面的研究。到1976年,在J.H.Cary報道了紫外光照射下的二氧化鈦可使難生物降解的有機化合物多氯聯苯脫氯后,鈉米二氧化鈦光催化劑在環境中的應用越來越引起人們的注意。至今,已發現有3000多種難降解的有機化合物可以在紫外光線的照射下通過二氧化鈦迅速降解,特別是當水中有機污染物的濃度很高或其他方法很難降解時,這種技術有著更明顯的優勢。正是由于在上述開拓性工作的基礎上,有關光催化劑，TiO2的研究工作有了進一步的發展,人們研究出比表面積大,催化性能更好的納米TiO2。本文將對納米TiO2光催化劑的研究現狀,即它的制備方法和改性,以及它的應用研究進展做簡要評述。

1納米TiO2及其納米管的制備

1.1納米TiO2的制備

傳統的TiO2的制備方法主要有化學氣相沉積法(CVD)、氣相氧化法、固相熱解法、醇鹽水解法、鈦鹽直接水解法等,對上述這些方法的報道均已有很多,

這里就目前對這些方法新的研究作一簡要概述。

1.1.1超臨界流體干燥法

液相法制粉中普遍存在的問題就是團聚問題,常用的一種方法就是是在原料液中加分散劑,它只能在水解沉淀階段防止團聚,但難于防止熱處理階段的團聚問題。用超臨界流體干燥法代替傳統的干燥方法,就可以避免這一問題超臨界流體法就是利用液體的超臨界特性,即在臨界點以上,氣液界面消失,孔內界面張力不復存在,所有溶劑在超臨界的狀態沒有表面張力或毛細管作用力的影響,因而不會發生因存在表面張力作用而使凝膠網絡結構塌陷和發生凝膠收縮團聚而使顆粒長大,從而可以制得粒徑小,表面積大的粒子。

1.1.2微波輔助法制備納米TiO2

微波作為一種新型的加熱方式,具有對反應體系加熱迅速,均勻,不存在溫度梯度等特性,將微波應用于改進的溶膠-凝膠法TiO2制備中,能得到比常規方法粒度更小,分布更窄的多孔性納米TiO2催化劑。ShiJian-zhen等研究應用微波法和銀的摻雜提高了TiO2降解甲基橙的效率。孫嘯虎等應用微波干燥制備納米的TiO2,對于濃度為20mg/L、pH為3的水楊酸水溶液,以主波長為253.7nm的紫外燈照射下,在40min內降解率達到97%,實驗表明用微波制得的納米TiO2光催化劑的降解活性明顯高于傳統烘箱干燥方式制備的TiO2光催化劑。

1.1.3等離子體法制備納米TiO2

該方法是利用等離子體產生的超高溫激發氣體發生反應,同時利用等離子體高溫區與周圍環境巨大的溫度梯度,通過急冷作用得到納米顆粒,產生等離子時沒有引入雜質,因此生成的納米離子純度高,顆粒呈球形,分散性好,光催化活性提高。Ghezzar等研究利用等離子體協助下制備的對AG25的降解,實驗表明TiO2在最佳濃度下,TiO2在通過等離子體處理15min后TiO2,染料在15min內完全被去除,COD的降解率為93%。鄧仕英等對制備的TiO2用氮等離子體輻照,經處理的TiO2的光催化活性比未處理的活性高得多。

1.2TiO2納米管的制備

目前制備的TiO2存在的重要問題是量子效率低,因此提高光催化劑的量子效率就成為研究的熱點。與TiO2粉末相比,TiO2納米管具有更大的比表面積和較高的吸附能力,將會大大改善TiO2的催化性能,可望進一步提高光催化量子效應。因此,TiO2納米管已經引起許多科研工作者的廣泛重視。XuHui等利用水熱解法金紅石型TiO2制成TiO2納米管,實驗通過比較TiO2粉末和TiO2納米管的光催化活性,結果表明TiO2具有更小的比表面和更好光催化活性。MacakJanM等研究表明銳鈦礦型TiO2納米管比一般的光催化劑表現出更好的有機染料的轉化。當前TiO2納米管的制備方法主要有膜板法、水熱法、電沉積法、冷卻烘干法等,與制備TiO2粉末一樣,TiO2納米管的制備也有一些改進。羅永松等發現化學沉積法制備的碳納米管長短不一,而且高度纏繞,限制了其應用,他們在實驗中進行氧化剪裁,使高度纏繞的碳管變成兩端開口的短管,再通過溶膠-凝膠的方法獲得TiO2/碳納米短管復和體,制得的復合體其光催化性能大大加強。楊迎春等將制備的TiO2納米管通過酸化處理,實驗表明處理過的TiO2納米管的催化活性比未處理的TiO2納米管活性高得多。

2光催化劑TiO2的改性

2.1貴金屬表面沉積

貴金屬對半導體催化劑的修飾是通過改變電子分布來實現的。在二氧化鈦表面沉積適量的貴金屬后,由于金屬的費米能級小于二氧化鈦的費米能級,即金屬內部和二氧化鈦相應的能級上,電子密度小于二氧化鈦導帶上的電子密度。因此,載流子重新分布,直到它們的費米能級相同。電子在金屬上的富集,相應減少了二氧化鈦表面電子密度,從而抑制了電子與空穴的復合。Sasaki等用激光脈沖法把Pt沉積在TiO2上,Pt/TiO2體系帶隙能降為2.3eV,使激發波長延伸

至可見光區。

2.2過渡金屬離子的摻雜

由于過渡金屬元素存在多化合價,在TiO2晶格中摻雜少量過渡金屬離子,即可在其表面引入缺陷,成為光生電子-空穴對的淺勢捕獲阱,延長電子與空穴的復合時間,從而降低光生電子空穴的復合幾率。陳俊水[21]等采用水熱法制備了Cu(Ⅱ)摻雜的納米TiO2,實驗表明Cu(Ⅱ)摻雜能提高納米TiO2的光催

化活性,加快光催化進程。

2.3非金屬元素的摻雜

半導體TiO2中摻雜非金屬同樣也影響光催化活性,通過完全是勢線性綴加平面波模型分別計算了C、N、F、P、S取代銳鈦礦二氧化鈦中晶格氧時的態密度后認為,和O2P軌道相比,非金屬元素具有能量相對較高的P軌道,用非金屬元素取代O提高光催化劑的價帶電位,從而降低半導體光催化劑的導帶位置,能使其禁帶寬度變窄。王永強等通過加熱法制備了S摻雜的S/TiO2,實驗發現S/TiO2在可見光下具有很好的光催化活性,是未改性TiO2的2.7倍。

2.4半導體復合

通過半導體的耦合可提高系統的電荷分離效果,擴展光譜響應的單位,從而提高催化劑的活性。近年來,對二元半導體復合進行了許多研究,如TiO2-CdS,TiO2-CdSe,TiO2-SnO2等。這些復合半導體幾乎都表現出高于單個半導體的光催化性質。以TiO2-CdS為例,CdS的帶隙能為2.5eV,當激發能不足以及發光催化劑的TiO2時,卻能激發CdS,由于TiO2導帶比CdS導帶電位高,得CdS上受激發的電子更容易遷移到TiO2的導帶上,激發產生的空穴仍留在CdS的價帶,這種電子從CdS向TiO2的遷移有利于電荷的分離;當用足夠的激發能量的光照射時,同時發生躍遷,由于能級差異,電子聚集在TiO2,而空穴聚在CdS上,光生電子和空穴得到分離。

3納米TiO2光催化的應用

3.1污水、廢氣的處理

利用納米TiO2的光催化性質對空氣、水中有毒有害物質進行降解,以達到優化環境的目的,是納米TiO2應用研究的一個熱點。污水主要指有機廢水,這些廢水中含有許多對人體有害的物質,如有機磷、酚類、芳烴和雜環化合物等,它們污染程度大,對人體健康危害嚴重。利用納米TiO2凈化處理烴類、酚類、雜環芳烴等,工藝簡單,效果良好。通過優化制備方法和控制晶粒的尺寸,還可以提高催化活性和選擇性。在納米TiO2粒子的表面,水分子和OH-捕獲光生空穴產生羥基自由基,這些自由基的氧化能力強,可以與有機物中的碳結合,破壞雙鍵、芳香鏈,使其裂解產生H2分子,終使有機物分子轉變為無毒的CO2和H2O。C.A.Bahamonde等人以摻Fe的TiO2為催化劑,對水中的苯酚進行降解,效果良好。TiO2可將室內有害氣體和大氣污染氣體吸附在表面上,并將其分解氧化起到凈化空氣、殺菌和除臭的作用。空氣中超標的CO、NOx與SO2是嚴重危害人類健康的有害氣體。利用TiO2光催化產生的活性氧,配合雨水作用可將空氣中的NOx與SO2形成HNO3和H2SO4,從而將NOx與SO2去除。W.C.Hung等人采用由溶膠-凝膠法制備得到的摻Fe的TiO2對空氣中的二氯甲烷進行光催化降解實驗,獲得了良好的效果。

3.2殺菌方面的應用

隨著生活水平的提高,人們對工作和生活環境的衛生日益重視。一般殺蟲劑能使細胞失去活性,但細菌被殺死后,可釋放出致熱和有毒的組分如內毒素,因此各種環保型的抗菌功能材料應運而生,并獲得了迅速發展。利用納米TiO2光催化產生的光生電子與光生空穴與催化劑表面吸附的H2O或OH形成具有強氧化性的性羥基或超氧離子,與細菌細胞或細菌內組分進行生化反應,徹底殺死細菌,同時還能降解由細菌釋放出的有毒復合物,防止內毒素引起二次污染。利用納米TiO2相繼制成了抗菌陶瓷、抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌自潔玻璃、抗菌不銹鋼和抗菌纖維等制品。另外,納米TiO2在中央空調的殺菌、殺菌涂料等方面,都能實現抗菌、抗霉和凈化空氣等功能。C.Hu等人通過對AgI/TiO2復合的光催化劑的殺菌性能進行了研究,在可見光照射下,該催化劑可高效殺死大腸桿菌和葡萄球菌,而且檢測表明,細菌完全分解為C的氧化物或小分子有機物。

3.3其他方面的應用

由于納米TiO2的特殊性質,除上述的幾個主要應用領域外,納米TiO2在其他方面的應用也一直是人們研究的熱點,除了有機物的光催化氧化,TiO2對無機化合物的光催化還原也是一個重要的研究方向。利用TiO2的光催化性質,可還原金屬離子使其變成單質。據文獻報道,貴金屬可由相應鹽溶液在TiO2的光催化下得到相應的金屬單質微粒,為貴金屬的回收提供了新的思路。近年來,國內外學者在太陽能轉換和儲存、光敏化、氣體傳感器、光催化化學合成等方面的應用也進行了大量的研究。

4.結語和展望

納米TiO2可見光光催化劑是材料科學領域研究的熱點之一,光催化技術在徹底降解水中有機污染物、利用太陽能節約能源、維持生態平衡、實現可持續發展等方面有著突出的優點,但此項技術還處于由實驗室向工業化發展階段,還有許多工作要做。

(1)盡管目前摻雜納米TiO2在紫外光區和可見光區的光催化性能已得到很好的試驗證明,人們也開發出多種摻雜工藝,但是對它的機理還存在爭議,尤其是對非金屬元素的摻雜存在較多爭議,而對共摻雜納米TiO2的光催化機理的研究報道甚少。只有對光催化反應機理進行深入的研究,才能更好地控制摻雜的元素種類、摻雜量等,從而針對不同的催化反應,設計并合成具有針對性的光催化劑。

(2)摻雜納米TiO2穩定性的研究尚未深入進行。要考慮摻雜納米TiO2光催化劑的使用壽命以及穩定性的問題,這對以后大規模的使用是必須的。雖然目前大多數文獻在實驗過程中并沒有發現摻雜納米TiO2光催化性能的降低,但是在具體的使用過程中穩定性的研究還有待進行。

(3)重點進行非金屬元素及金屬元素的共摻雜研究,尤其是N元素與金屬元素共摻雜的研究。金屬摻雜是通過相應金屬元素的d電子軌道在TiO2的導帶頂部形成局域能級,價帶沒有發生改變,而N元素摻雜是由N2p或N2p與O2p雜化形成新的價帶,導帶不發生改變。兩種元素共摻雜可以同時改變價帶和導帶能級,進一步提高光催化活性,展示出摻N納米TiO2利用可見光方面的新前景。隨著納米技術的不斷發展,納米光催化材料所顯示的巨大潛力不容忽視。在不久的將來,實現納米TiO2光催化材料的實際應用必將在環境污染的控制與治理等諸多領域發揮越來越多的作用。