负载二氧化钛复合材料的制备及性能研究
摘 要
由于光催化技术的效率高、节约能源、工艺简单、不产生二次污染等优点,因而在开发新能源和环境污染治理等方面具有广阔的应用前景。而二氧化钛光催化剂更是具有无毒、光催化性能强的优点。因此,在参考了大量文献的基础上,本文中主要研究二氧化钛光催化剂,其中涉及到二氧化钛光催化剂在国内外的研究进展、最高效先进的改性方法、国内外优秀的催化剂制备方法、全球对于二氧化钛催化剂的应用和二氧化钛光催化性能的对比研究。
1 TiO2光催化剂国内外研究进展
1.1 引言
能源与环境问题是人类社会可持续发展所面临的两大重要问题。以煤炭、石油等为主要能源的中国,面临着严重的环境污染问题。加上化石燃料有限储备量的快速减少的双重影响,利用和开发清洁性可再生能源,减少温室气体排放,改善人类赖以生存的环境,已经成为目前我国可持续发展的战略的重要组成部分。在 2014 年“第九届中国循环经济发展论坛”上, 孟伟院士指出我国环境容量承受力大约为 740 万 t / a, 但是实际污染排放量达 3000 万 t / a,排污量超环境容量数倍[1]。污染物浓度高、毒性大且可生化性较差, 对人类具有致畸、致癌和致突变等毒害作用。因此,研发新型的污染深度处理方法有非常重要的意义。
二氧化钛光催化氧化技术是一种新兴的水处理技术,与其他技术相比具有反应条件温和、能耗低、操作简便、能矿化绝大多数有机、无二次污染及可以用太阳光作为反应光源等突出优点[2-5]。1976 年 Carey 等[6]首次将光催化的技术应用在降解污染物上,这揭示了光催化技术在环保领域的应用前景。目前,光催化技术是新型污水深度处理方法的一类高新技术,光催化综合性能较好的 TiO2 是使用最广泛的光催化剂。将清洁无污染、取之不尽的太阳光能与污染治理与保护相结合,利用二氧化钛光催化氧化反应来开展去除污染物的研究具有深远的战略意义。
1.2 TiO2光催化机理
1995年,Hoffmann等人[7]提出了TiO2光催化的一般机理,奠定了光催化反应研究与应用的理论基础。TiO2是一种n型(电子导电型)半导体氧化物,其光催化原理可用半导体的能带理论来解释。
半导体具有能带结构,一般是由填满电子的低能价带(valence band, VB)和空的高能导带(conduction band ,CB)共同构成,能带之间存在禁带,禁带中不允许有电子存在。电子在填充时要优先从能带低的价带填起。当用光照射半导体化合物时,并不是任何波长的光都能被吸收和产生激发作用,只有当光子能量等于或大于TiO2禁带宽度能量的光才能发挥作用。
二氧化钛是一种半导体粒子,羟基自由基是光催化反应的一种主要活性物质,对光催化氧化起决定作用,吸附于催化剂表面的氧及水合悬浮液中的OH-, H2O等均可产生该物质,当TiO2在紫外光照射下,可以产生氧化性很强的羟基自由基,活泼的·OH可以把许多难降解的有机物氧化成CO2和H2O等无机物。而吸附在TiO2表面的O2易与具有还原性的光致电子((e-)生成过氧化物自由基如O2-, HOO-, OH-等,此类物质对有机分子也有良好的降解效果.
1.3 TiO2基半导体催化剂的研究进展
TiO2基半导体材料具有光催化活性高、耐光腐蚀性、化学稳定性强、无毒、成本低等优点,目前主要应用于光催化降解有机物(空气、水处理)、光解水产氢、传感器、染料敏化电池等新能源研究领域,以及杀菌、抑制癌细胞等生物医药研究领域[8, 9]。TiO2作为光催化剂主要面临两大问题:首先是TiO2半导体禁带宽度决定其仅能吸收波长小于387nm的光源,对可见光的吸收率很差,对太阳能的利用率低;其次就是如何有效提高其光生电子的利用率,抑制光生电子-空穴对的复合。
TiO2具有三种主要的晶型结构,即锐钛矿(Anatase)、金红石(Ruble)以及板钛矿(Brookite)[10, 11],组成这三种结构的基本单元均为TiO6八面体,三种晶型的主要区别在于TiO6八