TiO2可见光降解染料的研究进展.doc

TiO 2 可见光降解染料的研究进展摘要:二氧化钛作为一种光催化材料,具有稳定性好、光效率高和不产生二次污染等特点, 在净化污染和保护环境方面, 被认为是最有应用前景的光催化剂。通过对二氧化钛进行金属掺杂和非金属掺杂改性可以提高二氧化钛的光催化性能, 也可以利用染料敏化的途径实现可见光光催化反应。本文介绍了 TiO 2 可见光在降解染料方面的研究进展,并对未来的发展进行了展望。关键词: 二氧化钛;光催化;染料;掺杂;光敏化自1856 年首例合成染料报道至今,已有超过 10000 种商品化的染料问世, 全球每年染料生产量超过 7×10 5吨。含染料废水成分复杂,色度深、毒性强、较难生化降解,一直是工业废水处理的难点[1]。1972 年,日本科学家 Fujishima 和 Honda 首次发现,在近紫外光的作用下, TiO 2单晶电极能使水在常温常压下发生分解反应,标志着光催化反应研究新时期的开始[2]。但是,人们认识到半导体催化剂对有机污染物的矿化功能始于 1976 年 Carey 等人的研究工作。他们发现, 在 TiO 2 光催化剂存在的条件下, PCBs 等发生了有效的光催化降解[3]。近年的研究表明,几乎所有染料均可通过光催化过程得到降解,对于许多无法进行生物降解的,也可以通过光催化过程得到转化。此外,染料本身就能吸收可见光而起到光敏剂作用效果。因此,研究光催化氧化技术处理染料废水具有重要得实际意义。 TiO 2 无毒、化学性质稳定、光催化活性高,但是它的禁带较宽( ) ,只有波长较短的太阳光(λ<387nm )的紫外光能被吸收,而这部分紫外光只占到达地面上的太阳光能的 4% 左右,而可见光却占了太阳光能总能量的 45% 以上[4] 。因此, 扩展半导体 TiO 2光催化的响应光谱范围,使其在可见光区有较高的光催化活性, 已成为目前 TiO 2光催化研究的热点问题。目前的研究主要集中在对 TiO 2催化剂进行改性,如金属离子掺杂、非金属元素掺杂、复合半导体、贵金属沉积、染料光敏化等方面[5]。本文从金属离子掺杂、非金属元素掺杂和染料光敏化等三个方面对改性 TiO 2可见光降解染料的研究进展进行介绍。一、半导体 TiO 2 的光催化机理[6] 图1 半导体紫外光光催化和染料敏化光催化机理示意图(a) 紫外光光催化; (b) 染料敏化光催化光催化反应的实质是已激发的反应分子在催化剂作用下发生转移和转化反应。根据起始激发过程的不同,光催化可分为两大类:一类是催化剂首先被光激发, 如图 1(a) 所示, 当有能量大于半导体禁带宽度的光照射时,价带的电子被激发跃迁到导带实现电子和空穴的电荷分离。价带空穴与半导体表面吸附的水反应生成? OH 自由基,或者直接与有机物反应生成相应的有机自由基。导带电子可与氧分子反应生成 O 2 - 。, 这些活性氧物种进攻有机物使其分解直到矿化;另一类是敏化剂首先被光激发, 如图 1 (b) 所示,染料激发态向 TiO 2 注入电子后,形成染料正离子自由基和导带电子。导带电子被催化剂表面的 O 2 等捕获形成活性较高的 O 2 - 。、? OH 和? OOH 等自由基。接下来的一系列复杂的反应导致染料共轭结构的破坏,逐步降解,最终生成 CO 2。二、金属掺杂把金属离子引入到 TiO 2晶格中,可在其禁带中引入杂质能