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纳米TiO2光催化研究进展
刘畅
安徽建筑工业学院材化学院09化工1班
摘要:介绍了TiO2光催化的原理,光催化技术的发展进程,详细叙述了过渡金属离子掺杂改性光催化以提高光催化性能的机理,并对光催化在污水治理、空气净化、自清洁材料方面的应用进行了总述,同时,结合实例介绍了光催化技术在不同领域的最新研究成果。最后对Ti02在今后的发展进行了展望。
关键词:TiO2;光催化;综述;应用
光催化反应是光和物质之间的多种相互作用方式之一,是光反应和催化反应的融合,是在光和催化剂同时作用下所进行的化学反应[1]。该反应是利用一定波长的光照射某些具有能带结构的半导体光催化剂如TiO2、ZnO、WO。、CdS等使其产生光生载流子,从而促使许多难以实现的光化学反应能在常规条件下进行。TiO2由于化学稳定性高、廉价、无毒、耐光腐蚀具有较深的价带能级,可使一些光化学反应在TiO2表面得以实现,因此研究者大多认为TiO2是理想的半导体光催化剂。
1 光催化原理
纳米TiO2:有3种晶体结构即金红石相、锐钛矿相和板钛矿相,其组成基本单位均是TiO2 八面体,其中锐钛矿相晶体结构是由TiO2 八面体共边组成的,而金红石相和板钛矿相晶体结构是由TiO2 八面体共顶点且共边组成的l3]。表l为3种纳米TiO2晶相数据l2 J,从表1可以看出,金红石晶相是建立在0密堆积基础上的,但其晶体结构却不是密堆积方式。
半导体的基本能带结构是:由一个充满电子的低能价带(valence band,VB)和一个空的高能导带(conduction band,CB)构成,价带和导体之间由禁带分开。当用能量等于或大于禁带宽度(E )的光照射时,半导体价带上的电子( 一)被激发跃迁到导带,同时在价带上产生相应的光生空穴( ),这样就在半导体内部生成电子一空穴对。由于半导体能带的不连续性,电子和空穴的寿命较长,并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。光生空穴具有极强的得电子能力,可夺取半导体颗粒表面有机物或溶液中的电子,使原本不吸收光的物质都被活化氧化,因此具有很强的氧化能力,将其表面吸附的OH一和H2O分子氧化成自由基·0H,再由·OH无选择地将有机物氧化,最终降解为CO 和H O等简单的无机物。光生电子也能够与0 发生作用生成HO ·和O;-·等活性氧类,这些活性氧自由基也能参与氧还原反应。迁移到表面的光生电子和空穴既能参与加速光催化反应,同时也存在着复合的可能性。基本反应式表达如下:
TiO2+ v—+e一+ TiO2 .
+ e一 E
H2O— H + OH一
矗+ OH一一HO ·
h + H2O+0 — HO ·+ H + ·O
h + H2O--~HO ·+ H
e一+ O2— 0 ’
· 0 + H’。一HO2·
2HO2·一O2+ H202
H2O2+ ·02— H0 ·+ OH一+ 02
H2O2+ v一2HO ·
Organ+HO·+O2一CO。+H2O+其它产物
M + ne一 M
在不同有机物的光催化反应过程中,羟基是主要的活性物质,对光催化氧化起决定性作用。但是也有研究认为,氧化反应可能通过光生空穴直接发生。目前光催化反应详细机理仍然是人们争论的话题。
2 TiO2光催化技术的发展
自1972年Fujishima发现了TiO2 能够光