TiO2光催化
摘要：本文通过光催化背景、相关概念、TiO2 紫外光光催化原理、TiO2 可见光光催化原理、TiO2 催化性能的影响因素、TiO2 的改性、TiO2 光催化的应用和对光催化的研究的展望等方面对TiO2 光催化技术进行了概括性的介绍。
一、 光催化背景
1972年日本学者Fujishima和Honda在Nature杂志上发表了关于TiO2电极与铂电极组成光电化学体系在紫外光的照射下使水分解为氢气和氧气的论文。这标志着光催化新时代的开始。继而1976年Carey等人在光催化分解污染物方面进行了开拓性的工作，使光催化技术在环保领域快速发展。光催化过程中的光催化剂为无毒无污染的半导体材料，它能在常温下利用太阳能使污染物降解成为无机离子，为治理水污染提供了一条有潜力的途径。TiO2具有化学稳定性好、耐光腐蚀、无毒无害、稳定性高、成本低、可回收利用等优点,使其成为研究最为广泛的催化剂。
二、 相关概念
1. 光触媒
光触媒（Photocatalyst）是光（Photo=Light）+触媒（催化剂）（catalyst）的合成词。光触媒是一种以纳米级二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称。 2. 禁带宽度
禁带宽度(Band gap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电），被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。 3. 导带
导带（conduction band）是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。对于金属，所有价电子所处的能带就是导带。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带——导带。 4. 价带
价带（valence band）或称价电带，通常是指半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子占满的最高能带。
三、 TiO2光催化反应机理
1. TiO2紫外光光催化机理
CB(conduction band):导带 VB(valence band):价带 当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体微粒时，光激发电子从价带跃迁到导带，形成导带电子（e-），而在价带上留下空穴（h+）。电子和空穴在电场力的作用下或扩散运动迁移。运动到半导体表面的空穴会被OH- 和H2O俘获生成OH? ，OH? 的氧化能力很强（其标准还原电极电势为2.5V），是光催化氧化的主要活性物质，它几乎能无选择地氧化所有有机物。运动到半导体表面的电子通常被吸附在微粒表面的O2 俘获，生成O2- 、HOO? 等一系列自由基。
紫外光下TiO2 表面的化学反应有：
TiO2 + hv(UV)→TiO2 (e- + h+ ) (1) TiO2(h+)+H2O →TiO2 + H+ + OH- (2) TiO2(h+)+ OH- →TiO2 + OH? (3) TiO2(e-)+ O2 →TiO2 + O2- (4) O2- +H+ →OH2? (5) Dye+ OH- → 降解产物 (6) Dye + h + →氧化产物 (7) Dye + e- → 还原产物 (8)
2. TiO2可见光光催化机理
TiO2 只能吸收紫外光，这极大的限制了它在污水处理方面的应用。使TiO2 对可见光起光催化作用的最常用的办法是对TiO2 掺杂。在TiO2 晶格掺杂过渡金属离子后，TiO2 禁带内产生一个内禁带，该能带小于TiO2 的带隙宽度Eg (3.2 eV)。因为内禁带与TiO2 的导带或价带接近，所以可以诱导吸收可见光。同样，TiO2 中的非金属掺杂、晶格缺陷或杂质也能产生内禁带，使TiO2 对可见光产生吸收作用。用光敏试剂（如有机染料Dye）处理TiO2 同样可以产生对可见光的吸收。可见光光敏氧化反应机制与紫外光光催化机制不同，它是通过激发态的有机物污染物（一般表示为Dye）的电子转移来实现的，Dye吸收可见光生成激发态Dye*，然后Dye*将电子注入到TiO2的导带CB后变成阳离子自由基Dye? +，再降解生成无毒无害产物。
Dye + hv →Dye*
Dye* + TiO2 →Dye? + + TiO2 (e-) TiO2 (e-) + O2 →O2? - + TiO2 Dye? + + O2? - → 降解产物
四、影响TiO2 催化活性的因素
1.晶体结构的影响
TiO2 有三种晶型结构：金红石型、锐钛矿型和板钛矿型。TiO2 主要以金红石型和锐钛矿型存在。锐钛矿型有较高的光催化活性。原因有锐钛矿型有更高的禁带宽度；具有较强的吸附H2O 、O2 和OH- 的能力；结晶过程中锐钛矿型通常在更低温下成相。 2. TiO2 尺寸与光催化活性的关系
上图给出了不同晶粒尺寸的TiO2 光催化降解苯酚的剩余百分比c/c0焙烧温度的