纳米TiO2光催化剂的研究进展

马喜峰

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

纳米二氧化钛具有氧化性强、无毒、活性高、易制备、稳定性强等特点，目前研究的热点是利用其光催化降解有机物，但纳米二氧化钛也存在易抱团等缺陷。拟将其与其他材料复合，克服其缺陷，又具有复合材料的其他特性，从而使其与复合材料产生协同效应，提高其光催化作用效果。

1 TiO2光催化剂技术概述

1.1 纳米TiO2的制备

纳米二氧化钛的物理与化学性质较稳定，制备过程比较简单，环境污染较小。制备法有：

（1）相沉淀法

该法提出于1988 年，系通过利用一种过饱和溶液来制备二氧化钛，其过程是将基体放在溶液中浸制，待基体的表面出现均一的致密薄膜时，即表明有二氧化钛薄膜产生，其制备出来的是一种由二氧化钛薄膜包裹的硅晶。用此法可在各种形状的基体表面产生二氧化钛薄膜，且在形成薄膜的过程中没有苛刻的环境条件要求，实验过程简单易操作，机体的选择较为随意，既可以是具有简单结构的基体，也可以是具有复杂结构的基体。

（2）化学沉淀

化学沉淀法的制备过程是利用不同化学成分的物质在溶液中混合后，在溶液中加入适宜的化学沉淀剂，使得二氧化钛纳米的前驱体发生沉淀，从而产生二氧化钛纳米的沉淀前驱体，之后再将其前驱体沉淀物进行煅烧、洗涤、干燥。通常来讲，化学沉淀法包括中和沉淀、共沉淀、均匀沉淀三种形式。

（3）化学气相沉积法

化学气相沉积技术是其制备无机材料的技术手段，其反应过程是利用含有构成二氧化钛薄膜元素的一种或几种反应原材料的气化形态，借助气相之间的相互作用，使其在基体表面发生化学反应，从而使气体中的物质形成沉淀固体附着在固态基体的表面。其实质上就是气态传质的过程，大多运用在研制新晶体、沉淀各种单晶、提纯物质等方面。

1.2 纳米TiO2的催化机理

纳米二氧化钛作为一种N型的半导体材料，其能带结构是由低能带和高能带构成，在其之间存在着一定宽度的禁带。对于二氧化钛来讲，其以锐钛矿型出现的禁带宽度约为2.8 eV，表明在受到波长小于等于373 nm的光照射的条件下电子将会被激发，发生跃迁进入到导带上，从而在导带上产生自由电子。

从反应情况来看，产生的光生电子具有较强的还原性，而相对应的电子跃迁而产生的空穴具有氧化性。此外，由于电子发生跃迁，使得禁带两边产生电场，从而使得光生电子与光生空穴在电场力的作用下发生扩散作用，使其到达二氧化钛粒子表面的不同位置，从而发生各自的还原或氧化能力，还原或氧化吸附在粒子表面的物质。例如光生空穴吸附在二氧化钛表面的羟基自由基上时，会形成具有超强氧化性的羟基自由基，光生电子则会与被吸附在二氧化钛表面的氧分子发生反应，从而使其形成活性氧和羟基自由基。

从光催化反应角度出发，上述过程中形成的羟基自由基是其反应中最主要的氧化剂的来源，其是水溶液中氧化能力最强的物质，从而可以使得二氧化钛具有较强的降解作用，可以降解各种有机污染物，使其转化为水等无危害的物质。

1.3 影响纳米TiO2光催化的因素

（1）光催化剂的粒径

对于光催化剂来讲，催化剂颗粒的粒径越大，其颗粒的比表面积就越小，从而使得在反应过程中其表面结合的吸附物质的分子就越少，因此对于二氧化钛光催化剂来讲，只要二氧化钛光催化剂的颗粒粒径越小，其表面积就会越大，从而使得在其表面吸附的分子就会越多。

（2）二氧化钛的禁带宽度

对于半导体材料来讲，其禁带宽度就是指其能带结构中导带的最低点与架带的最高点之间的能量差值。当光催化剂受到照射时，只有当其所遭受的能量大于禁带宽度所含的能量时才会被其吸收，故而当其受到光波长小于或等于其禁带宽度能量的光辐射时，其光材料上的价带的电子才能够被激发产生跃迁现象。为了使半导体光催化材料可以充分利用太阳光中的光能量，科学家们纷纷采用各种手段来降低二氧化钛光催化剂的禁带宽度。

（3）二氧化钛中生成电子不稳定

由于在二氧化钛光催化剂受到辐射的前提下，处于价带上的电子吸收光能，被激发产生跃迁，从而跃迁到较高能阶的导带上，但此时的光生电子在高能阶导带上的状态并不稳定，很容易出现把之前获得的能量再次释放，从而跃迁回去，产生较高的复合率。为了阻止该现象的出现，研究者们对光净化剂进行了掺杂改性，从而提高了二氧化碳光催化剂的活性。

2 纳米TiO2的应用

2.1 污水处理领域

工业生产中的污染物排放日益严重，危害健康安全。各界专家采取了不同的措施处理污水，不是引入其他的物质，就是处理效果不好。而纳米二氧化钛作为一种优良的光催化剂，可以将水中的有机污染物光催化降解，转换成无害物质。也可将重金属离子等转化成低价的无害粒子。因此，纳米二氧化钛在污水处理中的应用效果较好。

2.2 道路领域

纳米二氧化钛光催化材料在道路建设中应用有：将其与水泥等物质混合，经光催化降解为氮氧化物。在沥青道路中应用主要有三种，分别是拌合法、改性法与涂覆法。有学者研究将纳米二氧化钛与沥青混合制成沥青路面，紫外光线越强，纳米二氧化钛的催化效果越好。尤其紫外光强度提升到1500 μW/cm2时，催化效果几乎提高了2.5倍以上。纳米二氧化钛浆液涂覆于道路附属设施，在水泥防撞墙上时，可降解汽车尾气。有研究者以纳米二氧化钛为填料制备光催化涂料，将其应用在公路护栏等附属设施上，可降解汽车尾气中的一氧化碳和一氧化氮，其降解作用会随着掺杂量的增大而增大，同时也具有一定的循环能力。

2.3 清洁净化杀菌领域

纳米二氧化钛可以净化空气，经光催化剂降解挥发性有机物、氮氧化物、硫氧化物等。有学者利用声波制备了纳米二氧化钛气溶胶，可净化空气中的二乙基硫醚，通过进行两组对照实验，一组给予紫外线照射，另外一组没有紫外线照射，对比发现二氧化钛颗粒可完全吸附二乙基硫醚。其次，纳米二氧化钛可抑制或杀灭细菌。

3 纳米TiO2的负载技术

3.1 纳米TiO2的负载作用

（1）可以防止二氧化钛发生团聚现象，解决了光催化剂粒子之间的重叠问题，增加了光催化过程中的光照面积。

（2）可以增加二氧化钛光催化剂的粒子比表面积，进而增加了空气净化机二氧化钛与有机污染物的接触概率。

（3）与载体发生的协同效应有助于增强光催化剂的催化效果，比如当二氧化钛负载到碳纳米管内时，可以帮助促进碳纳米管上的电子空穴对数的数目增加。

（4）可以使得二氧化钛根据需要制成各种形状的光催化剂，从而用来适应不同的光催化环境与条件。

3.2 载体的种类

载体的种类对于光催化剂的活性有着重要意义，可分为：

（1）矿物类

此类材料资源丰富，可以帮助去除水中的悬浮物质，净化水源。有学者利用天然矿物作为纳米二氧化钛的载体，同时利用矿物质的粒子交换和吸附性能好的特点，用于废水处理，将废水中的有机物有效地吸附到纳米二氧化钛表面，实现光催化剂与污染物的高效结合，提高了降解效率。

（2）碳类

通常来讲，碳类是指以煤、石油或其加工产品为主要原料，经过加工而形成的非金属材料，该材料是以碳为主要组成部分，可将其作为一种电子捕获剂，从而帮助二氧化钛光生电子-空穴的分离，帮助其形成的载流子加入到二氧化钛表面的光催化过程。

（3）玻璃类

玻璃类材料被选作为载体，主要因其具有较高的透光性能，高温下仍保持良好的稳定性，且成本较低，可自由变换形式以适应不同的需要，因此被视作很好的载体材料。

3.3 负载技术工艺

二氧化钛复合光催化剂在应用的过程中需要考虑的因素有很多，不仅需要考虑到载体的材料，还需要考虑到负载工艺的选择。采用不同的方式制备出来的二氧化钛光催化材料，其光催化性能与活性也不一样。

（1）溶胶-凝胶法

该方法主要是将钛醇盐或钛的无机盐与乙醇溶液混合，制成悬浮溶液，再将其通过旋涂等方式使得二氧化钛溶胶附着在载体之上，之后通过凝胶、锻烧、成化等步骤制成负载型纳米二氧化钛粒子。

（2）浸渍法

将纳米二氧化钛颗粒分散在粘结剂中制成悬浮溶液，与载体混合均匀，再焙烧使光催化剂固载。有学者曾以静电纺聚四氟乙烯超纤维为载体进行实验，通过浸渍、焙烧，制备出超细纤维负载二氧化碳催化膜，实验结果表明，样品对于甲基橙催化降解率可达95%，之后循环3 次，发现最终其降解率仍然可以达到51%，回收利用率较高。

（3）解沉淀法

在一定的条件下，钛醇盐、硫酸钛等物质会在水溶液中完全水解，之后将水解形成的水溶液滴加到负载水溶液中，将生成的沉淀物洗涤、过滤、干燥、焙烧等，制成负载型纳米二氧化钛粒子。

4 结束语

综上所述，随着研究不断深入，二氧化钛光催化材料对于解决环境污染等问题十分有效，今后应用将会更为广泛。