光催化劑SO42-/TiO2和TiO2的光譜行為比較分析

任小賽

（咸陽職業技術學院，陜西咸陽 712000）首先介紹了什么是“光催化劑”，其次以為切入點，圍繞其光譜行為展開了一系列實驗，最后結合實驗現象和結果，深入分析了二者的光譜行為。

世界的持續發展所面臨問題，主要體現在兩個方面，分別是環境惡化和資源短缺。作為節能環保材料的TiO2，可以借助太陽能，對光生電子、光生空穴進行激發，為環境污染的治理提供支持，但是，光催化量子效率較低，給TiO2的應用帶來了制約，如何使TiO2的價值得到實現，成為人們關注的焦點。

1 光催化劑的原理

以TiO2為代表的光催化劑，多數被劃分至半導體材料領域，能帶結構與金屬、絕緣物質存在顯著差別，可以說，光催化劑處于導帶與價帶之間，主要分為氧化物催化劑、非氧化物催化劑兩種，前者的代表即為TiO2，后者的代表則是CuS。

考慮到半導體光吸收閾值、帶隙關系，寬帶隙半導體吸收波長的閾值，通常位于紫外區域，利用高于吸收閾值的光子能量對半導體進行照射，往往會出現價帶電子帶間躍遷的情況，具體來說，就是由價帶向導帶躍遷，光生電子、光生空穴隨之產生。此時，納米顆粒表面所吸附溶解氧，通過虜獲電子的方式，生成大量超氧負離子，光生空穴會將催化劑表面所吸附水、氫氧根離子氧化為氫氧自由基，無論是超氧負離子還是氫氧自由基，所具有氧化性均不容忽視，不僅大部分有機物都會在超氧負離子、氫氧自由基的作用下被氧化，產生CO2、H2O，部分無機物也能夠被徹底分解[1]。

2 光譜行為比較實驗

近幾年，專家和學者以提高光催化劑效率為出發點，展開了一系列研究，包括：氮改性、外加場、合成特殊形貌等，針對光催化研究重點TiO2進行的研究自然也更加深入。本文以光譜行為作為切入點，圍繞兩種光催化劑的表現，展開了實驗，供有關人員參考。

2.1 制備光催化劑

2.1.2 TiO2的制備

室溫環境下，首先向適量的去離子水中，滴加定量的鈦醇鹽，劇烈攪拌30～60min；其次，加入調節溶液pH值的HNO3，長時間攪拌，得到透明溶膠，將溶膠烘干，得到干凝膠，再次，對干凝膠進行烘干與燒結，最后，獲得TiO2光催化劑。

2.2 拉曼光譜

測量工具有光譜儀、寬程分束器、InGaAs檢測器。測量條件如下：功率為300mW；掃描次數32次；波段范圍50～1000cm-1；分辨率4cm-1。

2.3 紅外光譜

在光譜儀上，采用固體壓片進行檢測，掃描次數32次，波段范圍370～4000cm-1，分辨率4cm-1。

2.4 紫外漫反射光譜

在6MPa的壓力下，將樣品制作成圓片，以標準白板作為參比，利用裝有積分球的光度計，對漫反射譜進行測量與繪制。

2.5 吸附吡啶紅外光譜

壓縮40mg樣品，獲得13mm薄片，在自制的石英樣品池中，放入所獲得薄片，置于適當活化溫度下，進行2h預處理，再利用光譜儀，對紅外光譜進行記錄。測量條件如下：首先，掃描次數100次；波段范圍1400～1600cm-1；分辨率4cm-1。

3 實驗結果與分析

3.1 拉曼光譜

3.2 紅外光譜

3.3 紫外漫反射光譜

TiO2的譜圖并未發生明顯變化，的譜圖，則出現了吸收帶邊藍移的情況，表現為吸光度減小，研究表明，表觀吸光度會隨著粒度減小而逐漸降低，如果存在水分，則會加大散射能力降低的可能性，表觀吸光度自然增加。實驗結果表明，的表觀吸光度有所降低，由此可見，在諸多可能影響表觀吸光度的因素中，起主要作用的為粒度。

吸收帶邊藍移，使得光吸收閾值不斷增大，光生電子、光生空穴在氧化、還原方面具有的能力顯著增強，這為光催化對污染物進行分解提供了便利。吸收帶邊藍移的原因，主要有兩個：其一，擁有小于TiO2的晶粒，結合尺寸量子效應的相關理論可知，粒徑越小的納米材料，通常擁有越寬的帶隙；其二，硫酸化對銳鈦礦相金紅石進行轉變的相變趨勢，具有明顯的抑制效果，樣品具有比TiO2更少的金紅石含量，另外，金紅石又具有比銳鈦礦更窄的帶隙寬度，這也會導致吸收帶邊藍移。

3.4 吸附吡啶紅外光譜

4 光催化劑的實際應用

4.1 環境治理

首先，降解汽車尾氣的有害成分，例如，NO、SO2等；其次，還原水溶液無機金屬離子，去除水溶液金屬離子的難度較大，極易帶來二次污染的問題，對光催化劑加以應用，既能夠起到節約能源的目的，又避免了不必要的污染；再次，降解水溶液無機非金屬離子，例如，可以將CN-降解成為N2、CO2和最后，消除甲醛、二甲苯等室內有毒氣體。

4.2 資源節約

作為清潔能源的代表，H2擁有廣闊的發展前景，目前，有關人員已經掌握利用光解水，對進行制備的方法，如果能夠使光催化所具有轉化率得到提高，社會所面臨資源短缺問題，自然能夠得到緩解，另外，光催化劑的應用方向，還包括太陽能電池。

4.3 有機合成

利用TiO2微粒，使催化劑表面有聚甲基氧硅烷生成，為光催化劑的有機合成指明了方向，近幾年，在有機合成領域，光催化劑得到大量應用，所取得效果也十分突出。

5 結論

綜上所述，將TiO2與硫酸進行結合能夠發現，SO42-/TiO2作為光催化劑，不僅對酸催化反應表現出了較高的活性，還對控制、治理環境污染，具有積極作用。對光催化劑所表現出的光譜行為進行比較與分析，其目的主要是優化現有光催化劑的性能，在彌補不足的基礎上，使其所具有積極作用得到充分發揮。