二氧化鈦光催化研究進展

張紅燕+龔勛+張文娟

摘要：指出了隨著人類社會與經濟的可持續發展，環境和能源成為人類面臨和亟待解決的重大問題，光催化以其可直接利用太陽能作為光源，成為能源和環境領域有著重要應用前景的綠色技術。闡述了近年來人們對TiO2光催化劑的改性，以提高TiO2的光催化活性，對光催化技術的發展和應用提供參考。

關鍵詞：二氧化鈦； 光催化； 改性技術

中圖分類號：O664

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0030-02

1 引言

隨著人類社會與經濟的不斷發展，能源短缺和環境污染問題也隨之出現，因此在發展的同時，也要注重能源和環境問題。經過人們的研究努力，已經建立了許多處理污染物的技術。如常用污染物的處理技術有物理法、化學法、生物法等，這些方法各有其優點，但缺點在于大多對污染物降解不徹底，易造成二次污染、投資成本大、操作費用高等[1]。隨著國家對環保要求的提高，有必要尋求高效的污染物處理新技術。光催化技術是一種在能源和環境領域有著重要應用前景的綠色技術，可利用太陽能對水和空氣中的多種污染物進行降解。

光催化技術是指在光和光催化材料作用下，將光能轉化為化學能，發生氧化還原反應，使污染物被降解[2]。

在其過程中，除了光源，還必須有合適的光催化材料，TiO2因具有優異的紫外線吸收能力、氧化還原能力強、光催化效率高、穩定性強、無毒、無二次污染、抗化學和光腐蝕、價廉、粒徑小、比表面積大、可見光透明性、顏色效應和表面超雙親性等優點，成為目前最常用的光催化材料[3～7]。但TiO2對太陽光的利用效率低，只有5%左右，當受到紫外光照射時才能形成電子（e-）-空穴（h+）對，進而降解污染物[8～10]。這樣會使TiO2光催化材料的實際應用范圍降低，因此可以對二氧化鈦進行改性以提高其可見光催化活性。

2 二氧化鈦改性技術

2.1 摻雜金屬離子

TiO2摻雜金屬離子可以擴展光吸收波長范圍，提高光量子效率，抑制光生電子和空穴的復合，從而提高可見光催化性能。近些年國內外研究了各種金屬離子摻雜TiO2，有過渡金屬離子和稀土金屬離子，如Au3+、W6+、Fe3+、Cu2+、Co2+、Sm3+、Yb3+、Mo3+、Gd3+、Mn2+、Ag+、Zn2+、Ru3+、Cd2+、Cr6+、La3+、Ce3+、Er3+、Pr3+、Nd3+[11～14]。通過摻雜，光催化性能都有一定程度的提高，有很大的參考應用價值。

2.2 摻雜非金屬元素

非金屬元素的摻雜是在TiO2中引入晶格氧空位，或部分氧空位被非金屬元素取代，使TiO2的禁帶窄化，從而擴展光的波長范圍。目前非金屬元素摻雜改性TiO2已成為TiO2可見光研究熱點，其最大的優點是在擴展TiO2可見光催化活性的同時不影響紫外光的催化活性[15]。N元素在非金屬元素摻雜TiO2中研究最多，綜合國內外已有的研究報道，N摻雜TiO2光催化劑的制備方法可歸類為后處理[16]與過程處理[17，18] ，過程處理是在TiO2的形成過程中將N摻入，而后處理則是在TiO2形成后用含N物質處理。此外，還有非金屬元素C、F、P、S等的摻入。但非金屬元素摻雜TiO2實現可見光催化還存在一些問題，需要更深入的研究解決。

2.3 表面光敏化

表面光敏化是指在TiO2光催化劑表面物理或化學吸附一些染料類有機物，從而使吸收波范圍紅移[19]。光敏化可以擴展TiO2光吸收波長范圍，提高對可見光的利用效率，進而提高催化活性。染料類有機物是常用的光敏劑，如卟啉、、酞菁、曙紅、雜多藍、熒光素衍生物等。但大多數光敏劑在近紅外區吸收較弱，與污染物之間存在吸附競爭而不斷消耗，限制了光敏化的發展，還需進一步研究，解決這一問題。

2.4 半導體復合

半導體復合是提高TiO2光催化性能的一種技術，利用兩種不同禁帶的半導體組合，以提高系統的電荷分離效果，擴展光吸收波長范圍。當兩種不同禁帶的半導體組合，通過不同組分間的接觸，光生電子會迅速注入能量較低的導帶，減少光生載流子的復合率，還可以將寬帶隙的TiO2光響應區擴展到可見光區，從而有效地利用太陽光和增加光穩定性[20]。目前已有CdS-TiO2、SnO2-TiO2、WO3-TiO2、ZrO2-TiO2、V2O5-TiO2等研究報道。半導體復合光催化性能較純TiO2有所提高。

3 結語

在可見光催化中，二氧化鈦改性技術具有廣闊的實際應用前景。但目前制備的催化劑，大多在可見光催化下，催化效率不夠高，穩定性也有待進一步提高。因此通過對TiO2改性技術的了解，對提高催化劑活性的研究以及光催化技術的發展和環境保護有著重要的現實意義。

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