二氧化钛光催化剂研究进展

张 婷， 闫学亚*， 袁海芳， 刘丽娜

(1.鄂尔多斯市安信泰环保科技有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000;2.鄂尔多斯市文化旅游发展集团有限公司, 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

引 言

光催化氧化法是利用氧化物的半导体，在光的照射下吸附光子，进行氧化反应，将化合物分解为二氧化碳、水和无机盐。光催化技术起源于20世纪70年代，是1972年日本科学家Fujishima和Honda在一次实验中发现TiO2电极具有光敏作用[1]，光照下可以在TiO2电极上分解出H2和O2，该学术的发现立即引起了国际众多学者的关注，并掀起了研究光催化的热潮。目前，TiO2光催化反应已经在环境保护领域内水和气相有机、无机污染物的光催化去除方面取得较大进展。由于TiO2半导体光催化具有速度快、无选择性、降解完全等优点，又在价廉、无毒、可以长期使用等方面明显优于传统的化学氧化方法，在环境污染治理方面具有广阔的应用前景。

1 TiO2的制备方法

二氧化钛的制备方法有液相法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学方法等。采用不同的工艺方法，制备出成分、结构不同的TiO2催化剂。

1.1 气相法

气相法是在高温下对TiCl4进行氧化来制备TiO2的方法。气相法因其活性高，常被用来作为光催化剂的参照标准。该方法所制备的TiO2粉体一般是金红石型和锐钛矿型的混合物。

TiCl4气相氧化法来制备TiO2纳米粒子，化学方程式见式(1)。

(1)

此工艺目前处于实验室阶段，要想实现大规模工业化应用，还需要解决反应器结构的设计问题。该工艺自动化程度高，可以节省大量的人力和物力，且制得的产品性能比较好。

1.2 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是一种以钛醇盐为原料，通过钛醇盐和酸获得液体，进而得到凝胶的过程。这种工艺方法制备的样品纯度高，颗粒均匀。广泛用于玻璃、陶瓷等领域。其化学反应方程式见式(2)～式(5)。

水解:

(2)

缩聚(失水):

(3)

缩聚(失醇):

(4)

总反应:

(5)

此法所制备的二氧化钛粒子因其钛醇盐与水的比例以及pH、反应时间、搅拌时间、煅烧时间等变化存在差异。其中，最关键的一步就是控制水解、缩聚的反应速度，只有把水解速度控制到一定反应条件，才会得到透明的胶体。此方法自身缺点为，原料成本高，凝胶干燥过程中容易发生开裂和缩聚现象，使得制备的产物发生团聚现象，并且，所制得的样品光催化活性相对低。

1.3 水热法

水热法是在高压釜中采用水溶液作为反应介质，在高压、高温的反应环境中，使难溶或不溶物质溶解并且重结晶得到纳米TiO2。

Kei Inumaru等[2]在酸性条件下，采用水热法，以钛酸异丙醇为原料，硝酸为酸化剂来调节乙醇水溶液的pH至7.0，240 ℃下恒温4 h，通过控制钛醇盐的使用量来调节纳米TiO2粒子的粒径。

Shi等[3]直接将二氧化钛粉末分散在氢氧化钠溶液中，在150 ℃～2 000 ℃下恒温反应24 h～72 h，制备了不同形状的纳米TiO2光催化剂。

1.4 水解法

水解法是将TiCl4溶液稀释到一定的浓度，再加入少量稀硫酸溶液作为添加剂来抑制TiCl4溶液的水解，然后，在磁力搅拌条件下沸腾回流，可得到锐钛矿型纳米TiO2。

陈爱平等[4]用硫酸氧钛为原料，通过热水解法来制备纳米TiO2光催化剂，考察了不同温度条件下进行热处理纳米TiO2光催化剂的性能变化。结果表明，经过160 ℃热处理的TiO2光催化剂，其晶型为锐钛矿和无定型的混合型，活性和P-25的活性差不多。

2 二氧化钛光催化剂的应用领域

二氧化钛光催化剂制备工艺的不断改进，其自身具有独特的光学、电学及物理性质，优异的化学稳定性，抗光腐蚀、耐酸碱腐蚀，而且无毒、价廉，已被广泛应用于催化剂、传感器、涂料等行业。在催化剂行业主要应用其净化技术。

2.1 TiO2在污水处理方面的应用

随着工农业生产的发展和人口的增长，水污染问题日益严重。目前，许多物理和化学方法能达到消除水中污染物、杀死细菌的目的，但是过程多会用到强氧化剂氯气、次氯酸钠、过氧化氢等，这些强氧化剂的使用，又增加了水体的二次污染。且废水的来源和成分不同，导致很多催化剂达不到污染物降解的目的。TiO2光催化剂[5]能够处理那些传统方法不易处理的有机废水。刘佳玉等[6]采用Fe3+-N-二氧化钛填料在日光照射下光催化处理微污染水源水，结果表明，Fe3+-N-二氧化钛填料对化学需氧量(CODMn)和氨基氮(NH4-N)的去除率分别达到59%和75%。

2.2 TiO2在空气净化方面的应用

近年来，环境空气的污染日益严重。家庭装修中的甲醛、汽车排放的氮氧化物 ，对人的身体产生了极大的危害。吸附法、化学法等一些传统处理方法存在一定的缺陷。二氧化钛作为一种新型光催化材料，近几年在室内空气净化领域得到广泛应用。日本三菱公司研发的TiO2和无机黏合剂构成的催化剂可以有效去除室内环境有害气体。但是，现在二氧化钛在利用太阳光方面还有一定弊端，需要研究者深度地探究来改变这一缺陷。

2.3 TiO2在抗菌方面的应用

细菌生存能力强，严重影响着人类的身体健康。二氧化钛光催化剂在抑制和杀死细菌方面起到极重要的作用。TiO2抗菌原理：在紫外光照射下，TiO2会产生大量的空穴，空穴会利用其自身的强氧化性与细胞的一些组分发生氧化还原反应，从而杀死细菌。和其他杀菌剂相比，TiO2杀菌效果突出，它的优点在于不仅可以杀死细菌，还可以降解细菌释放的有害物质；它的强氧化性羟基自由基可以破坏细菌的生存环境，来抑制细菌的繁殖，降低环境微生物对人体的危害，而且可以重复利用。

2.4 TiO2在自清洁方面的应用

二氧化钛在自清洁方面的应用主要有汽车玻璃、窗户、外墙、眼镜等。二氧化钛附着在玻璃表面，通过吸附降低有机物、无机物浓度，并且通过雨水的冲洗达到清洁玻璃的目的。

3 未来的研究方向

目前，二氧化钛光催化剂在制备和应用阶段取得了很大的进展，但是在一些技术方面还存在很大的问题，未来发展主要体现在以下几方面：

1) 需要制备高效率的光催化剂，提高催化剂活性；

2) 选择合适的催化剂载体，研究催化剂的固定技术；

3) 设计更加高效、实用的催化反应器；

4) 研究性能更好的高热稳定TiO2，提高对太阳光的利用率；

5) 纳米半导体光催化剂材料的制备成本较高，短时间内难以进行大规模工业化生产，需要研究者研发出经济高效的二氧化钛催化剂，使其能大规模工业化生产。