改性TiO2光催化剂的研究进展

陈思

(延安职业技术学院， 陕西 延安 716000)

改性TiO2光催化剂的研究进展

陈思

(延安职业技术学院， 陕西 延安 716000)

本文重点探讨了改性TiO2光催化剂的研究进展，讨论TiO2改性的方法和机理，并对TiO2光催化剂的发展方向进行了展望。

改性二氧化钛；光催化剂；可见光响应

0 引言

TiO2具有氧化能力强、化学稳定性好、价格低廉等优点，被广泛应用于电化学，光催化氧化等方面。为了提高 TiO2对可见光响应性能和光催化性能，减小催化剂的禁带宽度和载流子的复合概率，当前越来越多的研究的热点集中在TiO2改性研究合成新型光催化材料，如金属/非金属掺杂、贵金属沉积、半导体复合、表面光敏化等。

1 金属掺杂改性

在TiO2表面掺杂金属离子，通过改变TiO2粒子的表面结构与性质，扩大对可见光响应范围，促进电子-空穴对分离，从而提高光催化活性及对太阳能的利用率，如掺杂Zn2+，Fe3+，Mo5+，Ru2+，Re2+等[1]。

2 非金属掺杂改性

Asahi等[2]首次通过理论计算证明以非金属元素掺杂改性的可行性，指出N元素掺杂有效能够显著提高可见光利用率。随后，N、C、F、S等非金属元素掺杂改性逐渐成为研究重点，掺杂方法主要包括：脉冲激光沉积、溶胶-凝胶合成、机械化学法、直接氨化法等。

3 贵金属沉积改性

金属与半导体具有不同的费米(Fermin)能级，贵金属沉积在TiO2表面能够改变TiO2的电子分布，两者接触后电子易从高费米能级的TiO2端迁移到低费米能级的金属端，直至两者费米能级相匹配。两者接触后形成的空间电荷层，界面产生schottky势垒[3]，肖特基势垒这一电子俘获阱的存在能够有效捕获光生电子，促使光生电子与空穴分离大大提高TiO2光催化活性[4]。

4 复合半导体改性

利用窄带隙的半导体敏化宽带隙的TiO2，当复合的窄带隙半导体受光激发时，半导体与TiO2同时发生电子跃迁，导带与价带的差异使得光生电子聚集在TiO2的导带，空穴则留在复合半导体的价带中，光生载流子的分流度有效提高。分离后的电子(空穴)各自扩散至复合材料表面参与氧化还原反应，从而提高光催化效率。

TiO2与其他半导体结合形成复合型光催化材料，异质结构形成的空间效应有助于分离光生电子与空穴，提高量子效率，从而使得光催化活性显著改善。常见的半导体复合体系有ZrO2/TiO2，WO3/TiO2，CdS/TiO2，SnO2/TiO2等[5]。

5 光敏改性

TiO2光敏化是指通过物理或者化学的方法在TiO2表面添加光敏化剂，这些物质在可见光下的激发态电势比TiO2导带电势更负，激发产生的电子进入TiO2导带，在TiO2中产生载流子的过程。一些常用染料(如赤鲜B、曙红、酞花菁类)、荧光素、叶绿素等都可作为TiO2光敏化剂，此外一些 Pd、Pt和Ti等金属的氯化物也被用作光敏化剂[6，7]。

6 TiO2固定化

相比将TiO2光催化剂直接作用与液-固相中，将TiO2固定化形成负载型光催化剂能够有效克服催化剂分离回收难，气相夹带的问题[8]。此外，改变载体的类型，调变活性组分和载体的功能，也是提高TiO2光催化性能的有效途径。近期的研究发现，TiO2等光催化剂与活性炭、碳纳米管、石墨烯等复合能大幅度提高光催化性能。

7 结语

改性TiO2能够有效提高太阳光的利用率，研究TiO2光催化剂改性的方法及改性的机理具有重要的理论和实践意义。进一步研究工作的应当从以下几个方面考虑：①进一步研究如何在利用太阳光的同时提高光量子效率；②进一步研究如何保持复合型TiO2在光催化过程中的稳定性；③进一步研究提高TiO2光催化剂的回收利用率。

[1]W Choi，A Termin，MR Hoffmann.The Role of Metal Ion Dopants in Quantum-Sized TiO2: Correlation between Photoreactivity and Charge Carrier Recombination Dynamics[J].Journal of Physical Chemistry,1994,98(51):13669-13679.

[2]Asahi R,Morikawa T,O hwaki T,etal.Science,2001,293 :269-271.

[3]王积森，冯忠彬，孙金全等.纳米TiO2的光催化机理及其影响因素分析[J].微纳电子技术,2008,45(1):28-32.

[4]张莹，龚昌杰，燕宁宁等.贵金属改性TiO2光催化剂的机理及研究进展[J].材料导报,2011,25(15):46-49.

[5]高丽丽，于小迪，刘麒等.改性TiO2光催化氧化在水处理中的研究进展[J].环境科技,2013,26(5):63-66.

[6]刘春慧.表面光敏化TiO2/Ti光电极光电催化氧化水中甲草胺研究[M].哈尔滨工业大学,2008.

[7]陈印，马晓军.改性TiO2负载活性炭纤维的研究进展[J].生物质化学工程,2014(4):40-44.

[8]王祖鹓，张凤宝，张前程.负载型TiO2光催化剂的研究进展[J].化学工业与工程,2004,21(4):248-253.

陈思(1988-)，女，现从事水污染治理相关工作。