光催化劑TiO2

1、光催化劑光催化劑TiO2TiO2的結構的結構TiO2光催化反應機理光催化反應機理影響影響Tio2光催化劑的因素光催化劑的因素TiO2光催化的應用光催化的應用TiO2光催化劑的摻雜改性光催化劑的摻雜改性小結與展望小結與展望TiO2的的結結構構通常TiO2有三種晶型：銳鈦礦(anatase)、金紅石(ruffle)和板鈦礦Corookite)。通常認為銳鈦礦是活性最高的一種晶型，其次是金紅石型，而板鈦礦和無定型TiO2沒有明顯的光催化活性研究表明，由銳鈦礦由銳鈦礦 和金紅石以適當比和金紅石以適當比 例組成的混晶通常例組成的混晶通常 比由單一晶體的活比由單一晶體的活 性高性高 光催化是納米TiO2的

2、突出性能之一。同塊體材料相比，納米半導體材料的光催化活性高，原因在于納米半導體粒子具有的量子尺寸效應（量子尺寸效應-是指當粒子尺寸下降到某一數(shù)值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。當能級的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時，導致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導特性與常規(guī)材料有顯著的不同。）使其導帶和價帶能級分立，能隙變寬，導帶電位更負，而價帶電位更正，這意味著納米半導體，粒子具有更強的氧化和還原能力。納米半導體粒子的粒徑小，光生載流子更容易通過擴散從粒子內遷移到表面，促進氧化和還原反應，所以合成尺寸、形貌可控的納米結構二氧化鈦也成為改善其光催化性能的重要舉措

3、。TiO2微球的形態(tài)和大小N2吸附數(shù)據(jù)TiO2微球的比表面積大約為67m2/g，接近于TiO2納米粉體的比表面積（65-94m2/g）。一般TiO2粉末的比表面積僅有24m2/g。上圖表明，TiO2微球有一個平均孔徑為4.4nm的統(tǒng)一孔徑分布。TiO2光催化反應機理光催化反應機理當能量大于當能量大于TiOTiO2 2禁帶寬度的光照射半禁帶寬度的光照射半導體時，光激發(fā)電子躍遷到導帶，形導體時，光激發(fā)電子躍遷到導帶，形成導帶電子成導帶電子( (礦礦) )，同時在價帶留下空，同時在價帶留下空穴穴( (礦礦) )。由于半導體能帶的不連續(xù)性。由于半導體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長，它們能夠，電子

4、和空穴的壽命較長，它們能夠在電場作用下或通過擴散的方式運動在電場作用下或通過擴散的方式運動，與吸附在半導體催化劑粒子表面上，與吸附在半導體催化劑粒子表面上的物質發(fā)生氧化還原反應，或者被表的物質發(fā)生氧化還原反應，或者被表面晶格缺陷俘獲?？昭ê碗娮釉诖呋婢Ц袢毕莘@?？昭ê碗娮釉诖呋瘎┝Ｗ觾炔炕虮砻嬉部赡苤苯訌秃稀┝Ｗ觾炔炕虮砻嬉部赡苤苯訌秃??？昭軌蛲皆诖呋瘎┝Ｗ颖砻娴目昭軌蛲皆诖呋瘎┝Ｗ颖砻娴腛HOH或或H H2 2O O發(fā)生作用生成發(fā)生作用生成HOHO。HOHO是一是一種活性很高的粒子，能夠無選擇地氧種活性很高的粒子，能夠無選擇地氧化多種有機物并使之礦化，通常認為化多種有機物并

5、使之礦化，通常認為是光催化反應體系中主要的氧化劑。是光催化反應體系中主要的氧化劑。光生電子也能夠與光生電子也能夠與O O2 2發(fā)生作用生成發(fā)生作用生成HOHO2 2和和O O2 2- -等活性氧類，這些活性氧等活性氧類，這些活性氧自由基也能參與氧化還原反應。該過自由基也能參與氧化還原反應。該過程可用如下反應式表示：程可用如下反應式表示：HOHO能與電子給體作用，將之氧化，能與電子給體作用，將之氧化，礦能夠與電子受體作用將之還原，礦能夠與電子受體作用將之還原，同時同時h h+ +也能夠直接與有機物作用將也能夠直接與有機物作用將之氧化：之氧化：TiOTiO2 2納米粒子的表面積大小對催化作用納米粒

6、子的表面積大小對催化作用的影響的影響 表面積是決定反應基質吸附量的重要因素。在晶格在晶格缺陷等其它因素相同時，表面積大則吸附量大，活缺陷等其它因素相同時，表面積大則吸附量大，活性就高性就高。一般認為光催化活性由催化劑吸收光的能力、載流子分離以及向表面轉移效率決定。TiO2吸收光的能力越強，光照產生的電子一空穴對越多。分離的電子和空穴在能量弛豫中被底部捕獲時，引起氧化還原的幾率越大，光催化反應活性也就高。另外，表面的粗糙度、表面的結晶度、表面的輕基等也影響著表面的吸附和電子一空穴的復合，進而影響催化劑的活性。TiO2表面鈦羥基(TiOH)結構在光催化過程中起著重要作用，TiO2光催化活性和表面T

7、i3+數(shù)量有關，如果Ti3+數(shù)量增加，光催化活性就提高了。光強度的影響光強度的影響 光照強度和催化效果有直接關系光照強度和催化效果有直接關系。因為單位體積內有效光子數(shù)是影響反應速率的直接因素。光照強度越高時，單位體積內所接受的入射光子數(shù)越多，在催化劑表面產生的活性物種越多，反應自然就快。但光強度也不是無限制的但光強度也不是無限制的越高越好越高越好。當光子的利用率達到最大時，過多的光子無法得到利用。從經濟角度出發(fā)，能源的過渡浪費也是不可取的。另外，TiO2的加入量、光波長、氧濃度的變化等都對光催化降解反應有影響。焙燒溫度的影響焙燒溫度的影響 通常情況下，焙燒溫度的提高會導致催化活性的降低通常情況

8、下，焙燒溫度的提高會導致催化活性的降低，因為焙燒溫度會對TiO2的表面產生影響。隨著焙燒溫度的提高，比表面積減少，表面吸附量有明顯的減少趨勢，并且焙燒溫度升高到一定程度時會引起銳欽礦型TiO2向金紅石型TiO2轉變，這是導致其光催化性能下降的主要原因。 光催化技術應用領域光催化技術應用領域TiO2光催化劑的摻雜改性光催化劑的摻雜改性引入：引入：盡管TiO2是目前已知所有半導體材料中光催化反應活性最高的，但是迄今為止，文獻報道TiO2光催化反應的量子效率都還是很低，也就是說絕大部分光子在反應中不能夠被利用，所以提高提高TiOTiO2 2的催化活性是多相光催化技術推廣應用的重要的催化活性是多相光催

9、化技術推廣應用的重要任務任務。此外，由于TiO2的帶隙高(銳鈦礦3.20eV和金紅石3.03eV)，所以只有光線的輻射能大于其帶隙才能夠在光催化反應中被利用，而太陽光中只有很小的一部分滿足這樣的能量要求，基于這些原因，摻雜或改性TiO2光催化劑以達到對可見光的利用和提高其活性是很有必要的，國內外科技工作者對此進行了大量的研究。改性Ti02光催化劑的方法主要有：金屬摻雜改性金屬摻雜改性、金屬表面修飾、半導體復合、染料表面修飾等。近年來的一些研究表明以非金屬摻雜改性同樣具有高的效率并且顯示出可見光活性，這些方法包括氮摻雜、碳摻雜改性以及F、S元素等摻雜改性。金屬摻雜改性金屬摻雜改性 金屬離子摻雜是利用物理或化學方法，將金屬離子引入到TiO2晶格結構內部，從而在其晶格中引入新