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1、光催化材料研究進展20世紀以來,人們在享受迅速發(fā)展的科技所帶來的舒適和方便的同時,也品嘗著盲目和短視造成的生存環(huán)境不斷惡化的苦果,環(huán)境污染日趨嚴重。為了適應可持續(xù)發(fā)展的需要,污染的控制和治理已成為一個亟待解決的問題。在各種環(huán)境污染中,最普遍、最重要和影響最大的是化學污染。因而,有效的控制和治理各種化學污染物是環(huán)境綜合治理的重點,開發(fā)化學污染物無害化的實用技術是環(huán)境保護的關鍵。目前使用的具有代表性的化學污染物處理方法主要有:物理吸附法、化學氧化法、微生物處理法和高溫焚燒法。這些方法對環(huán)境的保護和治理起重大作用,但是這些技術不同程度的存在著或效率低,不能徹底將污染物無害化,產生二次污染,或使
2、用范圍窄,僅適合特定的污染物而不適合大規(guī)模推廣應用等方面的缺陷[1]。光催化氧化技術是一門新興的有廣闊應用前景的技術,特別適用于生化、物化等傳統(tǒng)方法無法處理的難降解物質的處理。其中TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3等半導體光催化技術因其可以直接利用光能而被許多研究者看好[2]。1.1TiO2光催化概述1.1.1TiO2的結構性質二氧化鈦是一種多晶型化合物,常見的n型半導體。由于構成原子排列方式不同,TIO2在自然界主要有三種結晶形態(tài)分布:銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型。三種晶體結構的TIO2中,銳鈦礦和金紅石的工業(yè)用途較廣。和銳鈦礦相比,金紅石的原子排列要致密得多,其相對密度、折
3、射率以及介電常數也較大,具有很高的分散光射線的能力,同時具有很強的遮蓋力和著色力,可用作重要的白色涂料。銳鈦礦在可見光短波部分的反射率比金紅石型高,普遍擁有良好的光催化活性,在光催化處理環(huán)境污染物方面有著極為廣闊的應用前景[3]。1.1.2TiO2光催化反應機理半導休表面多相光催化的基本原理:用能量高于禁帶寬度(Eg)的光照射半導體表面時,價帶上的電子被激發(fā),躍遷到異帶上，同時在價帶產生相應的空穴,這樣就半導體內部生成電子(e-)—空穴（h+）隨后,.電子-空穴對遷移到粒子表面不同位置、與吸附半導體表面的反應物發(fā)生相應的氧化或還原反應,同時激發(fā)態(tài)的二氧化鈦重新回歸到基態(tài)。與電荷分離相逆的
4、是電子-空穴對的復合過程,這是半導體光催化劑失活的主要原因。電子-空穴對的復合將在半導體體內或表面發(fā)生,并釋放熱量。1.1.3TiO2催化劑的局限及改性途徑作為光催化劑,雖然二氧化鈦具有其他催化劑難以比擬的無毒、價廉以及穩(wěn)定等優(yōu)點。但是目前二氧化鈦光催化還存在著一些不足和局限,致使其不能再現實中得到大規(guī)模應用。究其原因,主要在于二氧化鈦催化劑對太陽光的利用率不高并且其量子產率太低。銳鈦礦相和金紅石相二氧化鐵的帶隙分別為3.2eV和3.0eV,對應的吸收閾值分別為420nm和380nm。它們所吸收的光的波長主要集中在紫外區(qū),而在照射到地球表面的太陽光中,紫外光部分所占的比例還不到5%。從利
5、用太陽能的角度來看,二氧化鈦對太陽光的利用率較低,因此,如何縮小其帶隙,利用可見光來激發(fā)價帶電子,成為二氧化鐵光催化研究的一個重要方向。另一方面,半導體光催化劑的光生載流子的復合幾率很高,導致了低量子產率。常規(guī)Ti02半導體光催化劑的量子產率不到4%。目前,即使通過一些改性途徑取得了一定進展,量子產率最高的催化劑也還在10%以下,遠沒有達到實際應用的需要。綜上所述,可以看出,二氧化鈦研究和改性的兩大目標就是:一是通過縮小二氧化鈦的帶隙或其他途徑,增大催化劑對太陽光,尤其是可見光部分的吸收;二是抑制光生電子-空穴對的復合,以獲得較高的光催化量子產率,提高光轉換效率。在此,我們介紹幾種常見的
6、二氧化鈦光催化劑改性的方法[7]。（a）貴金屬沉積貴金屬納米顆粒沉積在二氧化鈦半導體表面,有利于提高二氧化鈦催化劑的活性。。HiroshiTsuji等人[8]研究結果表明,將Cu、Ag負載在TiO2上形成Cu、Ag-TiO2體系(在400℃左右退火)在降解甲基藍時的光催化活性是沒有負載的1.8倍。YuexiangLi等[9]將Pt負載在TiO2上面,在降解EDTA時同樣光催化活性有了明顯的提高。KunCheng等[10]用超聲的方法將Au納米顆粒負載入TiO2單晶中，形成Au/TiO2(001),在降解2,4-DCP的光催化活性上比其他沒有負載的好很多，同時也比Au/TiO2(101)也
7、高。ZhenfengBian等[11]將Au納米顆粒引入TiO2晶格中形成獨特的內消旋結構的Au/MesoTiO2，其催化活性要比Au/P25提高很多。(b)金屬離子摻雜近二十年來,金屬離子摻雜作為二氧化鈦光催化改性的一種有效途徑而得到廣泛的研究[12-18]。并以取得了重要的進展。在半導體結構中引入微量雜質金屬離子,就可能對其性質發(fā)生很大影響。不同的金屬離子摻雜產生的效果各不相同,有的金屬離子的引入可以極大地提高二氧化鈦的光催化活
