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随着(zhe)(zhe)近几年来全球的各种(zhong)环境(jing)问题日益加(jia)重(zhong)，如(ru)何(he)研究(jiu)开发一种(zhong)环境(jing)友好(hao)、清洁、安全、可(ke)持续(xu)发展的新型能源技术(shu)，是当今研究(jiu)工作者(zhe)们所面(mian)临的最(zui)紧迫(po)的挑(tiao)战。纳米(mi)材料具(ju)备(bei)许多(duo)独特的性(xing)质，这些性(xing)质在环境(jing)治(zhi)理方(fang)面(mian)也可(ke)以发挥(hui)着(zhe)(zhe)显著的作用，目前所利(li)用的最(zui)关键的性(xing)质之一是纳米材(cai)料的光催化(hua)性能，在众多的纳米材(cai)料(liao)中(zhong)，二氧(yang)化钛(tai)凭借自(zi)身(shen)优异(yi)的(de)性(xing)质显现出了(le)极(ji)强的(de)光催化活性(xing)，在环境治(zhi)理的(de)众多领域取得了(le)显著(zhu)的(de)成效。

很多(duo)人一听到光(guang)催化可能就觉得这(zhei)是一种工(gong)业应用技术(shu)，其实(shi)它跟我们的(de)生活也息(xi)息(xi)相关，比(bi)如净化空气(qi)、净化饮用水(shui)等，都会用到这(zhei)种新技术(shu)。

光催化技术(shu)应用

一、二氧化钛的(de)光(guang)催化原理

光催化(hua)技术是一种(zhong)新型(xing)的高级氧化(hua)技术(Advanced oxidation technology)，本质是在催化(hua)剂下所(suo)进行的光化(hua)学(xue)反(fan)应，其基本原理(li)是(shi)当能(neng)量光子(zi)(zi)匹配(pei)时，电子(zi)(zi)受激跃迁，形成光生电子(zi)(zi)-空(kong)穴对(dui)，在光照下不断地与吸附在催化(hua)剂表面的物质发生氧化(hua)还原反应(ying)，从(cong)而将光能(neng)转变为化(hua)学(xue)能(neng)（与水(shui)作用(yong)）或(huo)达到(dao)污染物的降解（与有机物或(huo)重金属离子(zi)(zi)作用(yong)）。

光催化原理

因此光催化(hua)技术以半(ban)导(dao)体材(cai)料为核心，在众多半(ban)导(dao)体材(cai)料中，TiO₂的(de)表面积相对较大，密度(du)相对较小，粘附力较强、性质(zhi)稳定、熔(rong)点(dian)高，抗(kang)紫外线能力极强，作(zuo)为光催化(hua)剂(ji)具有无毒无害、价格低廉且光催化(hua)性能高等优(you)点(dian)，是(shi)解决此(ci)类问题(ti)最(zui)好(hao)的(de)环(huan)保型金属半导体材料(liao)。

二氧化钛(tai)由低能价带和(he)高能导带构成，其(qi)光(guang)催化性能更好的锐钛(tai)矿相间隙为(wei)3.2 eV，当入射光(guang)子(zi)能量大于等(deng)于3.2 eV时，半导体进行吸收光(guang)的(de)(de)动作(zuo)，产生“电子(zi)-空(kong)穴对(dui)”。吸收光(guang)使(shi)空(kong)穴具(ju)有得到电子(zi)的(de)(de)能力，进而形(xing)成强氧化性，使原来没有(you)(you)(you)被氧化的(de)(de)物(wu)质被氧化，将(jiang)存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)各种有(you)(you)(you)机(ji)物(wu)变成(cheng)无机(ji)无毒小分子释放(fang)出去(qu)。在(zai)(zai)空穴具(ju)有(you)(you)(you)氧化性(xing)的(de)(de)同时(shi)，导带(dai)电子具(ju)有(you)(you)(you)还原性(xing)，在(zai)(zai)光(guang)催化反应(ying)(ying)过(guo)程中，会(hui)使存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)水和(he)氧气(qi)反应(ying)(ying)生成(cheng)羟基自(zi)由基和(he)超(chao)氧化物(wu)，整个过(guo)程不存(cun)在(zai)(zai)中间产物(wu)，因此非常绿色环(huan)保。

 

二(er)、二(er)氧(yang)化钛(tai)光催化剂的应用

1.空(kong)气(qi)杀菌

现在，市面上的约克纳(na)米TiO₂空气杀菌器(qi)，很(hen)好地(di)利用了TiO₂光(guang)催化(hua)剂的性能，受(shou)到(dao)388 nm以(yi)下的紫(zi)外(wai)光(guang)照(zhao)射时，氧化(hua)能力超过人(ren)们熟知的臭氧等，工作原理：污(wu)染空气(qi)遇到(dao)受(shou)光(guang)照(zhao)激发的TiO₂时(shi)产(chan)生(sheng)强氧化(hua)性自由氢氧基(ji)和活性氧，会迅速反应(ying)，达到净(jing)化(hua)空气的效(xiao)果，对不同污染(ran)物产(chan)生(sheng)分解作用而非(fei)吸附，反应(ying)过程中没有二次污染(ran)物产(chan)生(sheng)。

2.净(jing)水器

净(jing)水器大多(duo)通过臭氧和(he)活性炭的吸(xi)附作用净(jing)化(hua)水质，在净(jing)水过程(cheng)中很容易出现二次(ci)污染物。然而，TiO₂光催化剂在净(jing)水过程中可以将污水中的(de)烃(ting)类、卤代烃(ting)、酸(suan)、表面活性(xing)剂完全氧化成二(er)氧化碳(tan)和水等无毒无害物质，特定波长的(de)光照射一定厚度(du)的(de)TiO₂薄膜(mo)，TiO₂膜活化后，可提高深度氧化能力，在(zai)室温下产生超亲水性(xing)，从而(er)净化饮(yin)用水中的有(you)毒有(you)害物(wu)质。

3.抗菌抑癌

利用(yong)TiO₂光(guang)催化剂(ji)(ji)在光(guang)照条件下形(xing)成(cheng)空(kong)穴产生的强氧(yang)化性(xing)来(lai)氧(yang)化细菌(jun)(jun)外壳的蛋白质，使其失活死亡，可用于(yu)现代医疗，杀灭口腔中的微生物(wu)，用作农田抗菌(jun)(jun)剂(ji)(ji)抗菌(jun)(jun)建(jian)材(cai)和抗菌(jun)(jun)材(cai)料等。

主要有机物(wu)光(guang)催化降解反(fan)应(ying)

三(san)、纳(na)米二(er)氧化(hua)钛的制备(bei)与改性

纳米二氧化(hua)钛(tai)(tai)的(de)制备(bei)(bei)主要(yao)有三种方法(fa)：气(qi)(qi)相(xiang)法(fa)、液(ye)相(xiang)法(fa)和(he)固相(xiang)法(fa)。目(mu)前(qian)制备(bei)(bei)二氧化(hua)钛(tai)(tai)应用最广(guang)泛的(de)方法(fa)为(wei)液(ye)相(xiang)法(fa)，合成(cheng)所需(xu)温度低、成(cheng)本(ben)低；固相(xiang)法(fa)制备(bei)(bei)操作简单易(yi)行，但得到的(de)材料品质较为(wei)粗糙，对于要(yao)求高(gao)的(de)光催化(hua)领域(yu)适用性不高(gao)；而气(qi)(qi)相(xiang)法(fa)制备(bei)(bei)技术(shu)门槛高(gao)，设备(bei)(bei)投(tou)入大，目(mu)前(qian)全球只(zhi)有赢(ying)创德固赛等少数几家企业能生产气(qi)(qi)相(xiang)二氧化(hua)钛(tai)(tai)。

纳米二氧化钛的制备方法

但二(er)氧化钛虽(sui)然性(xing)能优越，作为(wei)光(guang)催(cui)化剂光(guang)解(jie)污(wu)染物也(ye)存在着许多(duo)缺(que)陷，主要的(de)缺(que)点(dian)是光(guang)生(sheng)载(zai)流子(zi)复(fu)合从而使得光(guang)量子(zi)的(de)效率降低(di)，且其带隙较宽，影响了(le)光(guang)响应(ying)的(de)范围。因(yin)此尽(jin)可(ke)能的(de)降低光生电子与空穴对的复合、延长(zhang)载流子的寿命、使其(qi)在可见光区(qu)可以高效地发挥作用是接(jie)下来对于(yu)TiO₂光催化剂进行进一步探(tan)索的关键所在，这(zhei)就要对TiO₂进行一定的改性(xing)。

1.离(li)子掺杂

掺(chan)杂的离子使TiO₂形(xing)成新(xin)的缺(que)陷，缩小间隙，是抑制光生电子(zi)-空穴对复合的重要方法。离(li)子(zi)掺杂又可(ke)分为金(jin)属(shu)离(li)子(zi)掺杂以及(ji)非金(jin)属(shu)离(li)子(zi)掺杂。

（1）金属离子掺杂

金属离子掺杂(za)的能级与纯TiO₂的能级相互混合，产(chan)生(sheng)了新的能(neng)级，除了扩大纯TiO₂光响应(ying)范围，还能有(you)效地抑制光生载流子(zi)的(de)复合。例(li)如(ru)掺杂铜(tong)离子(zi)可以有(you)效提高(gao)TiO₂催化还(hai)原CO₂的(de)性能，产(chan)生(sheng)的(de)甲烷(wan)是纯TiO₂催化还(hai)原时的9倍。

铜离(li)子(zi)掺杂改性

（2）非(fei)金(jin)属离子掺杂

非(fei)金属改(gai)性主要使用元素周(zhou)期(qi)(qi)表第(di)二周(zhou)期(qi)(qi)中接(jie)近O的(de)B、C、N、S等元素，掺杂非(fei)金属元素可部分替换TiO₂中的氧原(yuan)子，发生(sheng)杂化(hua)，进而使(shi)原先能量(liang)(liang)较(jiao)低的(de)能级转化(hua)成能量(liang)(liang)较(jiao)高的(de)能级，导致价带宽化(hua)上(shang)移，使(shi)禁带宽度相(xiang)对减小。

在非金属掺杂中，受到广(guang)泛关注的是碳掺杂，碳(tan)掺杂(za)既(ji)包(bao)括普通(tong)的(de)C掺杂(za)，也可以采用石墨、石墨烯、碳(tan)纳(na)米(mi)管等碳(tan)的(de)同素异形(xing)体(ti)进行掺杂(za)。

2. 复(fu)合改性

（1）复合半导体

半导(dao)体(ti)复(fu)合是指复(fu)合其他(ta)禁带(dai)宽度不同的(de)(de)半导(dao)体(ti)，这两(liang)种不同价(jia)带(dai)的(de)(de)半导(dao)体(ti)的(de)(de)光(guang)生电子与空(kong)(kong)穴之间可以移动转移，从而减少光(guang)生电子与空(kong)(kong)穴的(de)(de)复(fu)合。

（2）复合金属氧化物(wu)

将许多金(jin)属氧化(hua)物负载于TiO₂纳米管上制得(de)的(de)(de)改性(xing)二氧(yang)化(hua)钛(tai)材(cai)料(liao)可极好地改进其原始的(de)(de)结构特征、表面(mian)性(xing)质、催化(hua)能力等(deng)。

（3）复合生物炭材料

生物炭材料与TiO₂复合会影响价带、降低光生(sheng)电子-空穴(xue)对复合率。这是由于生(sheng)物炭表(biao)面的多种活性官能团具有超强的吸附性，在负(fu)载TiO₂的同时，由于(yu)生物(wu)炭与TiO₂的(de)(de)带(dai)隙宽度不同(tong)，会形成异质结，使光(guang)生电子(zi)更轻易地(di)从能级高的(de)(de)位置迁移至能级低(di)的(de)(de)位置，从而(er)驱动光(guang)生电子(zi)-空穴对(dui)的(de)(de)有效分离，降低(di)光(guang)生电子(zi)-空穴对(dui)的(de)(de)复合率，提高光(guang)量(liang)子(zi)利(li)用(yong)率。同(tong)时，价带(dai)的(de)(de)改(gai)变使光(guang)催(cui)化剂响应波长范围变大，对(dui)可见光(guang)的(de)(de)利(li)用(yong)率大大增加，进而(er)提高了催(cui)化剂的(de)(de)光(guang)催(cui)化性能。

3.光敏(min)化

二氧化钛(tai)的(de)光(guang)(guang)敏(min)(min)化是指二氧化钛(tai)光(guang)(guang)催化剂(ji)在可(ke)(ke)见(jian)(jian)光(guang)(guang)下无法进行的(de)反(fan)应，通(tong)过加入光(guang)(guang)敏(min)(min)剂(ji)，就可(ke)(ke)以(yi)使其在可(ke)(ke)见(jian)(jian)光(guang)(guang)下吸收光(guang)(guang)、参与反(fan)应。常用的(de)光(guang)(guang)敏(min)(min)化剂(ji)为曙(shu)红、叶绿素(su)铜三纳(na)、罗明丹B等(deng)(deng)有机染料。卟啉(lin)的(de)衍生物等(deng)(deng)金属基染料具有光(guang)(guang)敏(min)(min)化效率高、稳定性好(hao)等(deng)(deng)特点，因此应用次数更多。

4.贵(gui)金属沉积(ji)

贵(gui)(gui)金(jin)属沉淀(dian)是(shi)另一种降(jiang)低光生电子-空穴对复合(he)率的方法(fa)。当贵(gui)(gui)金(jin)属与TiO₂联结时(shi)，光生电子从高(gao)费米能级的TiO₂端转移至低费米能级的金(jin)属端，改变两端的电荷数，使TiO₂带的负电荷减(jian)少直至消(xiao)失，因此，氧吸附速度加快，光(guang)生(sheng)电(dian)子-空(kong)穴对复合率(lv)降低，提高了(le)催化(hua)(hua)剂的(de)光(guang)催化(hua)(hua)性能。相比(bi)于离子掺杂(za)，这种方法能更好地提高光(guang)催化(hua)(hua)效率(lv)，逐渐受(shou)到(dao)研究者(zhe)们的(de)关(guan)注。

表面(mian)沉积贵金属

总(zong)结(jie)

近几十年来，TiO₂的(de)研(yan)究呈几何增长，已成(cheng)为环(huan)境污染(ran)治理领(ling)域利用光(guang)(guang)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)净化(hua)(hua)方式催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)降解污染(ran)物(wu)最常用的(de)光(guang)(guang)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)剂。但其各(ge)种性能尚未达到(dao)预期，难(nan)以在各(ge)个领(ling)域得到(dao)广泛应用。因此(ci)，光(guang)(guang)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)剂的(de)下一步研(yan)究需(xu)要深入探(tan)讨光(guang)(guang)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)剂作(zuo)用机理、制备量子(zi)转换效率高且可(ke)见光(guang)(guang)响应范围大的(de)新型光(guang)(guang)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)剂材料，让新型光(guang)(guang)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)剂得到(dao)更(geng)广泛的(de)应用。

参考来源：

1. 纳米二(er)氧(yang)化(hua)钛及其改性(xing)在环境领(ling)域的应(ying)用(yong)进展(zhan)，王仁君(jun)、杨佳琪、魏庆营、王永乐、刘(liu)(liu)彦彦、刘(liu)(liu)春辰、丁(ding)宁、陈峻峰（曲阜师范大学(xue)生命(ming)科学(xue)学(xue)院(yuan)）；

2. TiO₂光催(cui)化剂研究进程，张万顺、曹智颖(ying)、郑佳、栗(li)净(jing)净(jing)、王(wang)超（衡水学院应用化学系）；

3. 前沿科技解读(du)丨(shu)走向(xiang)美好世界之路——光催化(hua)技术。

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