纳米TiO_2光催化材料及其应用于环境保护的研究进展

纳米TiO_2光催化材料及其应用于环境保护的研究

文章编号:1001-9731(2001)06-0586-04

纳米TiO2光催化材料及其应用于环境保护的研究进展

胡安正1,2,唐超群1

(1.华中科技大学物理系,湖北武汉430074;2.襄樊学院物理系,湖北襄樊441053)

摘　要:　讨论了纳米TiO2光催化材料降解污染物的机理及几种主要降解方式,综述了纳米TiO2光催化材料在环境保护领域中的应用等方面的研究进展,展望了纳米TiO2光催化材料的发展方向和应用前景。

关键词:　纳米TiO2;光催化;降解;环境保护中图分类号:　O643;X5　　　　文献标识码:A

探讨纳米TiO2微观结构、晶相(包括锐钛矿anatase、金红石ru-tile、板钛矿brookit)等对光敏、湿敏、氧敏、表面活性、稳定性、尤

其是对光催化和太阳能转换性能的影响。随着TiO2光催化材料和性能研究的日渐完善,光催化应用材料的制备和光催化环保应用装置的研究也渐被重视。

本文就近阶段TiO2光催化在空气净化、杀菌、除臭和降解水中有机、无机污染物的作用机理、作用方式、研究现状、应用进展和发展方向作简要评述。

1　引　言

近几十年来,工业废气、废水、农业农药和旅游、生活垃圾等污染物的剧增,使人类赖以生存的环境———空气和水源受到日益严重的污染

[1]

2　纳米TiO2光催化降解污染物的基本机

理

[11]

。这些污染物可归为3类:(1)有机污染物

x+

(R);(2)无机污染物;(3)有害金属离子(M)和有害氮氧化合物(NOx)。不容置疑,空气和水的净化、解毒已成为人们必须十分重视的环境保护研究课题[2,3]。传统的污染处理措施,如空气分离(air-stripping)、碳吸附(carbon-absorption)等,只是对有机、无机污染物的一种转移、转化、稀释处理,没从根本上把它们分解成无毒物质,有时还造成二次污染;而采用氧化和臭氧处理的方法,因为可能会对环境带来其它副作用,具有风险性而被弃用[4]。

在环境保护应用方面,近20多年来,用于降解有机污染物的光催化剂多为N型半导体材料,如TiO2、ZnO2、CdS、WO、SnO2、Fe2O3等。但倍受人们关注的是纳米TiO2(锐钛

[2,4～6]矿),因其具有活性高,稳定性好[7]、对人体无害、持续作用时间长、反应次数多、连续光照能保持活性,并且可在常温常

作为一个专业术语,“光催化”尚存在一些争议,因为这种措辞并不科学。顾名思义,“光催化反应”术语应指在反应过程中光扮演催化剂角色,而实际上光却是一种反应物质,在反应过程中它被消耗掉了。然而,由于“光催化”这一术语已被人们习惯使用,故本文也采用这一说法。其实,“光催化”的内涵是指在有光参与的条件下,发生在光催化剂及其表面吸附物(如H2O、O2分子和被分解物等)之间的一种光化学反应和氧化、还原过程。具体机理如下。

TiO2之所以能够作为一种很好的光催化剂(photocatalyst),是由于其能带结构特征造成的。TiO2满的价带(vb)和空的导带(cb)之间的禁带宽度Ebg=3.26eV。当它吸收的光子的能量hυ≥Ebg(即光子波长λ≤387.5nm)时,价带中的电子就会被激发到导带,在导带形成高活性的电子(e-),同时在价带相应产

+

生一个带正电的空穴(h),即生成电子-空穴对(如图1)

。

压下工作等特性而作为重要的光催化剂加以研究。近十多年

来,逐渐兴起的光催化降解水中污染物技术方兴未艾。Matt-thews等人曾对水中30多种有机污染物的光催化分解进行系统的研究,结果表明光催化法可将烃类、卤化物、羟酸、表面活性剂、染料、含氮有机物,有机农药等,较快的完全氧化成CO2和H2O等无害物质[8]。

自从1972年Fujishima等发现受辐射的TiO2表面能发生对水的持续氧化、还原反应以来[9],国内外材料专家们对TiO2,尤其是近十年来对纳米TiO2材料进行了广泛的探讨和研究:主要包括光催化剂材料纳米TiO2颗粒及薄膜的制备研究、掺杂研究以及制备光催化应用装置及其在环境保护方面的应用研究。纳米TiO2材料的研究着重从制备方法、制备工艺和掺杂(金属掺杂:如,Ag-TiO2,Fe-TiO2,Zr-TiO2等;薄膜掺杂:如将V2O5,Fe2O3,CuO,WO3或MoO3分散在TiO2膜中

[10]

+

3+

4+

图1　光激发TiO2生成电子-空穴对示意图

Fig1Diagramforproductionofelectron-holeexcitedbyphotonin

TiO2

)的角度

基金项目:湖北省教育厅科研资助项目(2001A69007)

收稿日期:2000-08-29》,32(6)

纳米TiO_2光催化材料及其应用于环境保护的研究

　　被激活的电子和空穴可能在TiO2颗粒内部或内表面附近重新相遇而发生湮灭,将它们的能量通过辐射方式散发掉(如图2中的(a)、(b)和反应方程式(1)、(2)所示)。

TiO2

TiO2,hυ

表面积越大,光吸收效率越高,并且电子和空穴移动到表面的比

率也越大。同时,随着尺寸的减小,比表面积增大,表面键态和电子态的活性增多,有利于对反应物的吸附,从而增大反应几率。其二,从能带理论角度上分析,任何氧化电位在半导体价带电位以上的物质原则上都可以被光生空穴氧化;同理,任何还原电位在半导体导带以下的物质,原则上都可以被光生电子还原。TiO2属N型半导体材料,当其尺寸小于50nm时,会产生与单晶半导体不同的所谓量子尺寸效应[12],即载流子被限制在一个小尺寸的势阱中,从而导致导带和价带能级由连续谱变成分离谱。使带间能隙增大,即价带能级正移,导带能级 …… 此处隐藏：11274字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……