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纳米二氧化钛光催化性能的研究进展及应用前景

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纳米二氧化钛光催化性能的研究进展及应用前景纳米二氧化钛光催化性能的研究进展及应用前景 ? ?纳米二氧化钛光催化性能研究进展及应用前景,薛寒松等 21 纳米二氧化钛光催化性能的研究进展及应用前景 薛寒松,李华基,陈永盛 (重庆大学机械工程学院,重庆400044) 摘要 纳米二氧化钛是一种新型半导体材料,因其具有优良的光催化特性,在太阳能储存与利用、光电转换、光 致变 况以色及光催化降解大气和水中污染物等诸多方面具有广阔的应用前景。对目前纳米二氧化钛光催化性能的研究情 及光催化应用前景进行了综述。 关键词 纳米二氧化钛光催化性能降解 中图分类号:...

纳米二氧化钛光催化性能的研究进展及应用前景
纳米二氧化钛光催化性能的研究进展及应用前景 ? ?纳米二氧化钛光催化性能研究进展及应用前景,薛寒松等 21 纳米二氧化钛光催化性能的研究进展及应用前景 薛寒松,李华基,陈永盛 (重庆大学机械工程学院,重庆400044) 摘要 纳米二氧化钛是一种新型半导体材料,因其具有优良的光催化特性,在太阳能储存与利用、光电转换、光 致变 况以色及光催化降解大气和水中污染物等诸多方面具有广阔的应用前景。对目前纳米二氧化钛光催化性能的研究情 及光催化应用前景进行了综述。 关键词 纳米二氧化钛光催化性能降解 中图分类号:TQl34(1 文献标识码:A and of Nano-sized TitaniumApplication Prospects Development Dioxide7S Property Photocatalysis i,CHEN XUE Huaj Hansong,LI Yongsheng of Mechanical (College 400044) Engineering,Chongqing University,Chongqing and age dioxide is kind of has future in Abstract Nano-sized titanium a new semiconductor stor— material(It pleasant utilization of solar of in and energy,photovoltaic conversion,photochromism,photocatalytic degradation pollutants atmosphere its excellent of nano-sized titanium di— water oxide and its photocatalysis characteristic(Photocatalysis prospects by application are summarized in this prospects paper(words nano-sized titanium ,photocatalysis,property,degradation Key dioxide 二氧化钛(TiOz)化学性质稳定、无毒、难溶、价格低廉,是 氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大多数的有 一种较为理想的半导体光催化剂。Ti02在自然界中存在3种 机物及部分无机污染物,并将其最终降解为C02和Hz O等晶体结构:金红石型(Ruffle)、锐钛矿型(Anatase)及板钛矿型 ?OH 害物质,而且自由基对反应物几乎无选择性,因而在光催无(Brookite)。其中,金红石相最稳定,锐钛矿次之,板钛矿型不稳 化氧化中起着决定性的作用。其反应式如下: 定。二氧化钛的晶 Ti()2+h7—-e一+h+ 型对其催化活性具有重要作用,研究 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,锐 钛矿型在3种晶形中光催化活性最好,常被选作光催化剂[1卅]。 h++H20+?0H+H+ 纳米Ti02是一种新型半导体材料,目前已证实其在太阳 e一+02+?02一 能转 换及储存、紫外线的屏蔽、光致变色、污水处理、空气净化、 ?02一+H+一H02? 杀 2 02+02 灭细菌、二氧化碳还原和有害复杂有机物降解等诸多方面具H20?一H2 有广阔的应用前景,引起人们广泛的研究兴趣[4“]。 H202+?02一—'-?0H+0H一+02近年来,关于TiQ的基础研究、应用研究的文献数量急剧 此外,许多有机物的氧化电位较TiQ的价带电位更负一 增加,其内容主要集中在光催化性能研究上。由于纳米TiQ 些,它们也能直接为h+所氧化。而Ti02表面高活性的e,则具 光催化的特性使其在环保方面的应用显示了广阔而诱人的前景,纳米有很强的还原能力,可以去除水体中的金属离子[9]。 Ti02光催化氧化性能的研究及其实用性开发已成为 2提高纳米二氧化钛光催化性能的主要方法 当前各国研究者密切关注的热点[7’8]。 Tioz的应用也有其自身的局限性:禁带宽约3(2eV,激发1 纳米二氧化钛光催化机理 产生电子一空穴对需用(近)紫外线光;电荷载流子复合速率很 Ti02的禁带宽度为3(2eV,当它吸收了波长小于或等于 快,一般发生在皮秒和纳秒的时间尺度范围内,光催化活性不387(05 nin的光子后,价带中的电子就会被激发到导带,形成带 高;对光(特别是可见光)的利用率比较低。因此,制备高活性光 负电的高活性e一,同时在价带上产生带正电的空穴h+,在电场 的作用催化剂的关键是如何减少光生电子与空穴的复合几率以及扩展 下,电子与空穴发生分离,迁移到粒子表面不同的位置。 TiQ对可见光的吸收范围。目前,提高光催化性能主要采用稀 土元素掺杂、过渡金属掺杂、贵金属沉积、复合半导体、有机染料 热力学理论表明,分布在表面的H+可以将吸附在Ti02表面的 0H一和Hz0氧化成?0H自由基,顺磁共振研究也证明在水 光敏化以及将TiQ纳米粉体制备成纳米管等方法。其中以掺 体中Ti02表面确实存在大量的?0H自由基。?0H自由基的 杂法改性Ti02光催化性能的研究报道最多。 薛寒松:男,1968年生,讲师,博士生,主要从事材料科学与工程领域研究E-mail: hsxue@sohu(corn ? ? 22 材料导报 2007年5月第21卷第5A 期 光催化活性m]。 2(1稀土元素掺杂 稀土元素在光学、电子学以及催化剂 领域有着广泛的应用。 3纳米二氧化钛光催化性能的应用前景稀土元素离子的最外层电子排布基本相同,再加上在元素周期 表中相邻,所以它们的性质比较相近,而且呈现有规律的递变。 1972年日本学者F@shima和Honda报道了在光电 TiozHz 辐射的可以持续地致使水分解产生,这一发元素化合价大部分为+3价,也有一些由于4f层将处于半满、全 池中受 许多科技工作者的注意。1977年Kaman等利用这一原满或全空状态,易得失1个电子而呈现+2或+4价。 现激起了 解水中的污染物,取得了较满意的效果。此后,人们对Ti02作 按照产生氧空缺方式的不同,稀土掺杂离子与二氧化钛晶 理来分Ti02 为光催化降解有机物的研究已成为热点。近年来,纳米格的作用可以分为两类。一类是单一价态或以+3价为主的稀 在污水处理、空气净化、抗菌、自清洁材料等方面的研究不土掺杂离子如Gd3+、y3+、La3+等。这些离子通过扩散进入晶 断深 入。 格替代钛离子,产生氧空缺,从而促进相变和金红石相的晶粒生 长,影响二氧化钛的光催化活性。另一类是可变价态的稀土 3(1 掺 在治理水污染领域 杂离子如Ce4+、Tb什、Eu3+等,它们容易在二氧化钛晶格表面 Ti02经常用于对以下几种典型水溶性有机物的光催化降 解。 发生氧化还原反应,然后通过扩散产生氧空缺或晶隙钛,从而促 进或抑制相变,影响其光催化活性。由于稀土元素离子的半径 水面油污的降解油污在天然水体中属于难以进行生 一般都大于钛离子,因此,当掺杂离子或它们的氧化态或还原态 物降解的物质。赵文宽等利用纳米Ti02对油污进行了光降解 扩散入二氧化钛晶格中时,就会引起较大的晶格畸变和膨胀。 研究,并取得了满意效果【1 。这种晶格膨胀所导致的逃离晶格氧原子和吸附0一提供额外的 空穴及难降解化合物的光催化降解阿特拉津是目前应用 提高。从Ti02的光催化性能有较大程度的 电子捕获途径,使得最为广泛的化学除草剂之一。霍爱群等利用锐钛矿型纳米 一定意义上讲,掺杂晶格的晶格膨胀程度对稀土掺杂 的二氧化钛Ti02膜、250W高压汞灯(2只)照射含阿特拉津30mg,L的水 的光催化活性有重要作用。 溶液10h,在有溶解氧的条件下,其降解率达98,[2 。 已有研究表明,掺杂稀土元素的纳米Ti02粉,其Uv-vis 吸收出现红水溶性染料的光催化降解孙平等对16种水溶性偶 电荷载流子的产移,说明掺杂稀土元素有利于催化剂吸收可见光和 氮染料进行光催化降解的研究表明,在悬浮态锐钛矿型纳米 生,提高光催化活性[10,12]。 Ti02为催化剂、浓度为29,L、有溶解氧的条件下,水溶性偶氮 2(2过渡金属掺杂 染料易发生光催化降解反应,各种染料的光催化降解均为一级 利用金属离子的掺杂可在Ti02晶格中引入缺陷位或改变 动力学方程R?。结晶度,影响光生电子和空穴的复合,从而影响其光催化活 性[7,83。无机污染物降解光催化氧化还能用来处理水中的无 晶,发现在晶Choi等系统地研究了21种金属离子掺杂的Ti02纳米 机污染物。已有人把Ti02光催化剂用于处理含SOs2-、 格中掺杂质量分数为o(1,,o。5,的金属离子可 Crz 072-、N0z一和汞、铬、铅等金属离子的废水,发现纳米Ti02 增加Ti02的光催化活性[13~15]。 21。比普通Ti02粉末的催化活性高得多[2 2(3贵金属沉积 3(2在空气净化方面 研究表明,贵金属沉积于Ti02表面,相当于在TiQ表面 Ti02光催化剂能有效分解室内外的有机污染物,氧化去除形成一个以Ti02及惰性金属为电极的短路微电池。电极产生 大气中的氮氧化物、硫化物以及各类有机腐朽气味等,并最终降的h+能够将液相中的有机物氧化,而e一则流向金属电极,将液 解为C02和水等无污染低分子单质及化合物[23|。相中的氧化态组分还原,从而降低e一和h+的复合几率,提高催 化剂的活性。因此,将常用的贵金属Pt、3(3在抗菌方面 Pd、Ag、Au、Ru等沉积 细菌的滋生无处不在,特别是在一些潮湿的场合如厨房、卫 于Ti02表面能有效提高其光催化活性和反应效率E163。 生间等,微生物更易繁殖,导致空气和物品表面菌浓度增大。利2(4复合半导体 用纳米Ti02的光催化性可分解有机物,因而能够有效杀灭或 系半导体的耦合是指由不同禁带的2种半导体组合起来提高 抑制环境中的有害微生物。已经有试验证明,锐钛矿型纳米 统的电荷分离效果,扩展光谱响应范围。因而通过半导体耦 Ti02对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、芽杆 合也是提高光催化效率的有效途径。目前常见的复合体系主要 菌和曲霉等具有很强的杀菌能力[2“。有:Ti02一Sn02、TiOz—V205、Ti02一W03、Ti02-Zr02等。通过半 3(4自清洁材料 7。。 Ti02[1导体耦合几乎都能提高的光催化活性 将纳米Ti02粉体涂于材料表面,利用Ti02的光催化性能2(5制备成Ti02纳米管 可把吸附在其表面的有机物和油污分解,这个过程就是自清洁 增加催化剂的比表面积能增大其光催化活性。体系的比表 过程嘲。 面积大,反应面积就大,有助于被降解物的吸附,使其光催化反 4结语应速率和效率增大。因而,将Ti02制备成适当壁厚的纳米管 将会增大体系的比表面积,提高Ti02的光催化活性。邵颖等 目前,通过?J、J外学者的共同努力,在紫外或高压汞灯光源 研究表明,以多孔氧化铝为 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 制备出的锐钛矿型Ti02纳米 下,二氧化钛的光催化性能得以不断提高,但离光催化性能的实 管是由许多非常细小的Ti02纳米粒子组成,在通空气下,该 质性应用还有一定距离。 Tioz纳米管对十二烷基苯磺酸钠的 随着人们对纳米二氧化钛的深入研究,其光催化性能必将 光催化降解表现出很高的 ? ?23 纳米二氧化钛光催化性能研究进展及应用前景,薛寒松等 的影ff向EJ](华东理工大学学报,2000,26(3):287 进一步提高,纳米二氧化钛在环境污染的治理、紫外线的屏蔽、 抗菌材坞 Choi The ion M W,Terrain role of metal A,Hoffmann R 应料、半导体材料等诸多领域将会得到更加广泛的实质性 in tion between dopants quantum-sized TiOz:correla 用。 photo- and carrier recombination reaetivity charge dynamics[J](J 参考文献Chem,1994,98:136Phys M 水淼,岳林海,徐铸德(几种制备方法的掺铁二氧化钛光催Gdecontamination 1 (Ti02 for Degan aerogels photocatalytic 化特性[J](物理化学学报,2001,17(3):282 Chemof ,1993,97(49): aquatic en;cironments[J](J Phys 坫 湛社霞,范山湖,等(钼掺杂Ti02光催化活性的研究口](中12651 山大学学报(自然科学版),2001,40(2):1252 高濂,郑珊,等(纳米氧化钛光催化材料及应用EM](北京: M 谭湘萍,蒋伟川(载银Ti02半导体催化剂对印染废水的光 化学工业出版社,2002 降解研究[J](环境污染和防治,1994,16(5):5 3 Y,Zhao of suHactants Ilidaka?,Asai (Photodegradation JK H " MG,Han E,Kim J(Enhanced Kang a photodecomposi— Ti02 Chem,1995,catalyzed by semiconductor口](Phys in solution tion of of 4-chlorophenol aqueous by deposition 99(20):8244 Cds on Photochem Photobiol Ti02[J](J :Chem,1999,A 4祖庸,雷闫盈,俞行(新型防晒材料——纳米二氧化钛EJ]( 125(1--3):119 化工新型材料,1998,(6):26 掩 邵颖,薛宽宏,陈巧玲(纳米管的光催化作用口](应用化 5王艳琴,程虎民,马季铭,等(二氧化钛和三氧化二铁复合纳 米学,2003,20(5):433晶电极的光电化学性质[J](物理化学学报,1999,15(3): 珀 赵文宽,覃榆森(水面石油污染物的光催化降解口](催化学 222 报,1999,20(3):3696 岳林海,徐铸德(半导体的表面修饰与其光电化学应用EJ]( 加 霍爱群,潭星,等(纳米Ti02膜光催化降解废水中的阿特拉 化学通报,1998,9:28 of 津的研究[J](工业水处理,1998,18(3):25M R,et a1(Environmental semicon— 7 Hoffman applications 孔 孙尚梅,康振晋,魏志仿(Ti02膜太阳光催化氧化法处理毛ductor Rev,1995,95:69 photo-catalysis[J](Chem 纺染整废水[J](化工环保,2000,20(1):118 郑红,汤鸿霄,王怡中(有机污染物半导体多相光催化氧化 毖 武正簧(Ti02薄膜在光催化处理含铬废水[J](太原理工大 机理及动力学研究发展[J](环境科学进展,1996,4(3):1 学学报,1999,(3):289 9 徐惠,王毅(纳米Ti02的制备表征及其光催化性能研究 船 陶跃武,赵梦月(空气中有害物质的光催化去除[J](催化学 EJ](兰州理工大学学报,2005,31(4):68 报,1997,18(4):345 10王乘遇,钟萍,等(掺镧对玻璃表面孔Ti02薄膜光催化性能 弘 刘平(掺杂Ti02光催化膜材料的制备及其灭菌机理[J](催 的影响[J](建筑材料学报,2000,3(1):33 化学报,1999,20(3):325 11高远,徐安武,祝静艳(RE,Ti02用于NCh-光催化氧化的 筋 黄淑梅(抗菌钛在工业中的应用[J](钛工业进展,1998, 研究[J](催化学报,2001,22(1):53 (5):2412于向阳,程继健,杨阳(稀土元素掺杂对Tioz光催化性能 毡)净毡)净毡-?毡)p吨p吨,}、p吣沪q,^吣,斗q?o毡)争吣p、pq妒q妒吨沪吨沪吨沪q》p、妒qpq,4也?4q沪吣)p乜沪吣)p吣pq)pq妒吣p吣p?p?jp qp?pqpqpq声qpq声qpqpMater Comput Sci,2002,25:427 (上接第20页) and defects X,Jia of 19 C L Structure 12 M R Oswald H R On the chemical ero— Jiang vapor-phasesion- of Vep6ek S,Haque diamond of low-z and the nanocrystals[J](Appl possibility some materials on grown Phys Lett,2002, plasma by hydrogen 80:2269low of the first wall regeneraU‘on pressure by and20 B W L,Liao K Nuc Wang B,Wang J,et a1(Experimental Mater,1976,63:405 plasmaCVD[J] (J biasedtheoretical studies of diamond nucleation on silicon 13 Behrisch bombardment by ,particle I[M]( Sputtering by Rchemical Rev,hot filament vapor deposition[J](Phys Berlin:Springer-Verlag,1981(1 2001,B63:85412data for 14 tokamaks: Bohdansky J(Important sputtering yield of J,et 21 H of and Jeong a1(Dual-catalyst growth vertically alignedA measurements Nuc estimates[J](J comparison carbon nanotubes at low in thermal chemical temperature Mater,1980,93—94:44 Lett,2002,361:189 1 5 of I vapor deposition[J](Chem Phys of amor— Sigrnund P(Theory sputtering sputtering yield and phous 22 Dresselhaus M S,Dresselhaus G,Avouris P(Carbon nano— Rev,1969, polyerystalline targets[J](Phys tubes[M](Berlin:Springer,2001(33 184:383B B,Lee Soonil,Yan H,et on the mecha—23 16 Stewart A D of surface Wang (Study Ma1 W:Microtopography (Thompson Gcarbon without nism of selborganized nanotips catalyst byMater eroded Sci,1969,4:56 by ion-bombardment[J](J hot filament chemical depositionvapor plasma-enhanced 17 Ducom_mun M,Moulin M Evolution of J 。PCantagrel Surf Sci,2005,245:21[J](Applsubmitted to ion well—defined surface bombardment: contour 24 BB Effects of etchant on the formation Dang C。Wang gas and simulation experimental investigation[J](J computer of carbon hot fila—arrays grownby plasma-enhanced nanotip Mater Sci,1975,10:52 ment chemical Solid Films, vapor deposition口](Thin 18 Krasheninnikov A V,Nordlund K,Salonen E,et a1(Sput— 2006,514:76carbon i— of by hyperthermal tering 25王廷志,王必本(离子轰击碳膜诱导碳纳米尖端的形成和生amorphous hydrogenated molecular ons as studied 长口](河南师范大学学报(自然科学版),2006,34(3):99 by tight-binding dynamics I-J](
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