二氧化钛光催化研究进展

张红燕+龚勋+张文娟

摘要：指出了隨着人类社会与经济的可持续发展，环境和能源成为人类面临和亟待解决的重大问题，光催化以其可直接利用太阳能作为光源，成为能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术。阐述了近年来人们对TiO2光催化剂的改性，以提高TiO2的光催化活性，对光催化技术的发展和应用提供参考。

关键词：二氧化钛； 光催化； 改性技术

中图分类号：O664

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）24-0030-02

1 引言

随着人类社会与经济的不断发展，能源短缺和环境污染问题也随之出现，因此在发展的同时，也要注重能源和环境问题。经过人们的研究努力，已经建立了许多处理污染物的技术。如常用污染物的处理技术有物理法、化学法、生物法等，这些方法各有其优点，但缺点在于大多对污染物降解不彻底，易造成二次污染、投资成本大、操作费用高等[1]。随着国家对环保要求的提高，有必要寻求高效的污染物处理新技术。光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术，可利用太阳能对水和空气中的多种污染物进行降解。

光催化技术是指在光和光催化材料作用下，将光能转化为化学能，发生氧化还原反应，使污染物被降解[2]。

在其过程中，除了光源，还必须有合适的光催化材料，TiO2因具有优异的紫外线吸收能力、氧化还原能力强、光催化效率高、稳定性强、无毒、无二次污染、抗化学和光腐蚀、价廉、粒径小、比表面积大、可见光透明性、颜色效应和表面超双亲性等优点，成为目前最常用的光催化材料[3～7]。但TiO2对太阳光的利用效率低，只有5%左右，当受到紫外光照射时才能形成电子（e-）-空穴（h+）对，进而降解污染物[8～10]。这样会使TiO2光催化材料的实际应用范围降低，因此可以对二氧化钛进行改性以提高其可见光催化活性。

2 二氧化钛改性技术

2.1 掺杂金属离子

TiO2掺杂金属离子可以扩展光吸收波长范围，提高光量子效率，抑制光生电子和空穴的复合，从而提高可见光催化性能。近些年国内外研究了各种金属离子掺杂TiO2，有过渡金属离子和稀土金属离子，如Au3+、W6+、Fe3+、Cu2+、Co2+、Sm3+、Yb3+、Mo3+、Gd3+、Mn2+、Ag+、Zn2+、Ru3+、Cd2+、Cr6+、La3+、Ce3+、Er3+、Pr3+、Nd3+[11～14]。通过掺杂，光催化性能都有一定程度的提高，有很大的参考应用价值。

2.2 掺杂非金属元素

非金属元素的掺杂是在TiO2中引入晶格氧空位，或部分氧空位被非金属元素取代，使TiO2的禁带窄化，从而扩展光的波长范围。目前非金属元素掺杂改性TiO2已成为TiO2可见光研究热点，其最大的优点是在扩展TiO2可见光催化活性的同时不影响紫外光的催化活性[15]。N元素在非金属元素掺杂TiO2中研究最多，综合国内外已有的研究报道，N掺杂TiO2光催化剂的制备方法可归类为后处理[16]与过程处理[17，18] ，过程处理是在TiO2的形成过程中将N掺入，而后处理则是在TiO2形成后用含N物质处理。此外，还有非金属元素C、F、P、S等的掺入。但非金属元素掺杂TiO2实现可见光催化还存在一些问题，需要更深入的研究解决。

2.3 表面光敏化

表面光敏化是指在TiO2光催化剂表面物理或化学吸附一些染料类有机物，从而使吸收波范围红移[19]。光敏化可以扩展TiO2光吸收波长范围，提高对可见光的利用效率，进而提高催化活性。染料类有机物是常用的光敏剂，如卟啉、、酞菁、曙红、杂多蓝、荧光素衍生物等。但大多数光敏剂在近红外区吸收较弱，与污染物之间存在吸附竞争而不断消耗，限制了光敏化的发展，还需进一步研究，解决这一问题。

2.4 半导体复合

半导体复合是提高TiO2光催化性能的一种技术，利用两种不同禁带的半导体组合，以提高系统的电荷分离效果，扩展光吸收波长范围。当两种不同禁带的半导体组合，通过不同组分间的接触，光生电子会迅速注入能量较低的导带，减少光生载流子的复合率，还可以将宽带隙的TiO2光响应区扩展到可见光区，从而有效地利用太阳光和增加光稳定性[20]。目前已有CdS-TiO2、SnO2-TiO2、WO3-TiO2、ZrO2-TiO2、V2O5-TiO2等研究报道。半导体复合光催化性能较纯TiO2有所提高。

3 结语

在可见光催化中，二氧化钛改性技术具有广阔的实际应用前景。但目前制备的催化剂，大多在可见光催化下，催化效率不够高，稳定性也有待进一步提高。因此通过对TiO2改性技术的了解，对提高催化剂活性的研究以及光催化技术的发展和环境保护有着重要的现实意义。

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