二氧化鈦光催化劑研究進展

張 婷， 閆學亞*， 袁海芳， 劉麗娜

(1.鄂爾多斯市安信泰環保科技有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000;2.鄂爾多斯市文化旅游發展集團有限公司, 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

引 言

光催化氧化法是利用氧化物的半導體，在光的照射下吸附光子，進行氧化反應，將化合物分解為二氧化碳、水和無機鹽。光催化技術起源于20世紀70年代，是1972年日本科學家Fujishima和Honda在一次實驗中發現TiO2電極具有光敏作用[1]，光照下可以在TiO2電極上分解出H2和O2，該學術的發現立即引起了國際眾多學者的關注，并掀起了研究光催化的熱潮。目前，TiO2光催化反應已經在環境保護領域內水和氣相有機、無機污染物的光催化去除方面取得較大進展。由于TiO2半導體光催化具有速度快、無選擇性、降解完全等優點，又在價廉、無毒、可以長期使用等方面明顯優于傳統的化學氧化方法，在環境污染治理方面具有廣闊的應用前景。

1 TiO2的制備方法

二氧化鈦的制備方法有液相法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、化學方法等。采用不同的工藝方法，制備出成分、結構不同的TiO2催化劑。

1.1 氣相法

氣相法是在高溫下對TiCl4進行氧化來制備TiO2的方法。氣相法因其活性高，常被用來作為光催化劑的參照標準。該方法所制備的TiO2粉體一般是金紅石型和銳鈦礦型的混合物。

TiCl4氣相氧化法來制備TiO2納米粒子，化學方程式見式(1)。

(1)

此工藝目前處于實驗室階段，要想實現大規模工業化應用，還需要解決反應器結構的設計問題。該工藝自動化程度高，可以節省大量的人力和物力，且制得的產品性能比較好。

1.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是一種以鈦醇鹽為原料，通過鈦醇鹽和酸獲得液體，進而得到凝膠的過程。這種工藝方法制備的樣品純度高，顆粒均勻。廣泛用于玻璃、陶瓷等領域。其化學反應方程式見式(2)～式(5)。

水解:

(2)

縮聚(失水):

(3)

縮聚(失醇):

(4)

總反應:

(5)

此法所制備的二氧化鈦粒子因其鈦醇鹽與水的比例以及pH、反應時間、攪拌時間、煅燒時間等變化存在差異。其中，最關鍵的一步就是控制水解、縮聚的反應速度，只有把水解速度控制到一定反應條件，才會得到透明的膠體。此方法自身缺點為，原料成本高，凝膠干燥過程中容易發生開裂和縮聚現象，使得制備的產物發生團聚現象，并且，所制得的樣品光催化活性相對低。

1.3 水熱法

水熱法是在高壓釜中采用水溶液作為反應介質，在高壓、高溫的反應環境中，使難溶或不溶物質溶解并且重結晶得到納米TiO2。

Kei Inumaru等[2]在酸性條件下，采用水熱法，以鈦酸異丙醇為原料，硝酸為酸化劑來調節乙醇水溶液的pH至7.0，240 ℃下恒溫4 h，通過控制鈦醇鹽的使用量來調節納米TiO2粒子的粒徑。

Shi等[3]直接將二氧化鈦粉末分散在氫氧化鈉溶液中，在150 ℃～2 000 ℃下恒溫反應24 h～72 h，制備了不同形狀的納米TiO2光催化劑。

1.4 水解法

水解法是將TiCl4溶液稀釋到一定的濃度，再加入少量稀硫酸溶液作為添加劑來抑制TiCl4溶液的水解，然后，在磁力攪拌條件下沸騰回流，可得到銳鈦礦型納米TiO2。

陳愛平等[4]用硫酸氧鈦為原料，通過熱水解法來制備納米TiO2光催化劑，考察了不同溫度條件下進行熱處理納米TiO2光催化劑的性能變化。結果表明，經過160 ℃熱處理的TiO2光催化劑，其晶型為銳鈦礦和無定型的混合型，活性和P-25的活性差不多。

2 二氧化鈦光催化劑的應用領域

二氧化鈦光催化劑制備工藝的不斷改進，其自身具有獨特的光學、電學及物理性質，優異的化學穩定性，抗光腐蝕、耐酸堿腐蝕，而且無毒、價廉，已被廣泛應用于催化劑、傳感器、涂料等行業。在催化劑行業主要應用其凈化技術。

2.1 TiO2在污水處理方面的應用

隨著工農業生產的發展和人口的增長，水污染問題日益嚴重。目前，許多物理和化學方法能達到消除水中污染物、殺死細菌的目的，但是過程多會用到強氧化劑氯氣、次氯酸鈉、過氧化氫等，這些強氧化劑的使用，又增加了水體的二次污染。且廢水的來源和成分不同，導致很多催化劑達不到污染物降解的目的。TiO2光催化劑[5]能夠處理那些傳統方法不易處理的有機廢水。劉佳玉等[6]采用Fe3+-N-二氧化鈦填料在日光照射下光催化處理微污染水源水，結果表明，Fe3+-N-二氧化鈦填料對化學需氧量(CODMn)和氨基氮(NH4-N)的去除率分別達到59%和75%。

2.2 TiO2在空氣凈化方面的應用

近年來，環境空氣的污染日益嚴重。家庭裝修中的甲醛、汽車排放的氮氧化物 ，對人的身體產生了極大的危害。吸附法、化學法等一些傳統處理方法存在一定的缺陷。二氧化鈦作為一種新型光催化材料，近幾年在室內空氣凈化領域得到廣泛應用。日本三菱公司研發的TiO2和無機黏合劑構成的催化劑可以有效去除室內環境有害氣體。但是，現在二氧化鈦在利用太陽光方面還有一定弊端，需要研究者深度地探究來改變這一缺陷。

2.3 TiO2在抗菌方面的應用

細菌生存能力強，嚴重影響著人類的身體健康。二氧化鈦光催化劑在抑制和殺死細菌方面起到極重要的作用。TiO2抗菌原理：在紫外光照射下，TiO2會產生大量的空穴，空穴會利用其自身的強氧化性與細胞的一些組分發生氧化還原反應，從而殺死細菌。和其他殺菌劑相比，TiO2殺菌效果突出，它的優點在于不僅可以殺死細菌，還可以降解細菌釋放的有害物質；它的強氧化性羥基自由基可以破壞細菌的生存環境，來抑制細菌的繁殖，降低環境微生物對人體的危害，而且可以重復利用。

2.4 TiO2在自清潔方面的應用

二氧化鈦在自清潔方面的應用主要有汽車玻璃、窗戶、外墻、眼鏡等。二氧化鈦附著在玻璃表面，通過吸附降低有機物、無機物濃度，并且通過雨水的沖洗達到清潔玻璃的目的。

3 未來的研究方向

目前，二氧化鈦光催化劑在制備和應用階段取得了很大的進展，但是在一些技術方面還存在很大的問題，未來發展主要體現在以下幾方面：

1) 需要制備高效率的光催化劑，提高催化劑活性；

2) 選擇合適的催化劑載體，研究催化劑的固定技術；

3) 設計更加高效、實用的催化反應器；

4) 研究性能更好的高熱穩定TiO2，提高對太陽光的利用率；

5) 納米半導體光催化劑材料的制備成本較高，短時間內難以進行大規模工業化生產，需要研究者研發出經濟高效的二氧化鈦催化劑，使其能大規模工業化生產。