浅谈TiO2光催化材料及其在水处理中的应用

李昊昱

长沙理工大学

浅谈TiO2光催化材料及其在水处理中的应用

李昊昱

长沙理工大学

本文将以TiO2光催化材料为主要研究对象，以TiO2光催化材料的相关概述作为研究基础，通过分析TiO2光催化材料的反应机理、具体改性以及固定化特性，分别从TiO2光催化材料处理有机污染物、水微污染物、无机污染物等角度出发，着重分析研究TiO2光催化材料及其在水处理中的应用。

TiO2光催化材料；水处理；污染物；改性

引言

TiO2光催化材料是当前在水处理方面使用颇为广泛的一大重要材料，相比其他活性炭或是生物处理等技术，此种光催化的处理方式不仅能够有效吸附水中的污染物，同时还具有成本低廉、操作简便，不会引发其他污染问题等优势性能。因此本文将通过探究TiO2光催化材料及其在水处理中的应用，希望能够帮助人们加深对TiO2光催化材料的认知和理解。

一、Ti02光催化材料的相关概述

（一）反应机理

当超出TiO2禁带宽度且具有强大能量的光，照射TiO2之后会使得其内部的电子跃迁至导带，进而生成导带电子。与此同时，在价带上会留下空穴，但鉴于半导体能带本身缺乏较好的连续性，受长时间电子与空穴的电场作用，使得原本被TiO2粒子所吸附的负氢氧离子或是水元素，可以和空穴相互发生作用进而生成一种具有较高活性的粒子即·OH[1]。在该粒子的作用下，许多有机物将发生氧化作用，因此在整个光催化反应当中，·OH粒子也被看作是一种氧化剂。另外，这一粒子可以自由地同电子给体发生氧化作用，进而使得其中的导带电子可以和其中的电子受体之间形成还原反应，令正价的氢离子可以和有机物直接进行氧化作用。下图展示的就是TiO2光电效应的示意图：

图1 TiO2的光电效应

（二）具体改性

1.表面惰性金属沉积

所谓在TiO2表面上有惰性金属沉积，其实指的是在TiO2的表面，会沉积许多呈现为原子状态的贵金属，但其并不只是简单地沉积形成一层覆盖物，而是逐渐沉积形成纳米级别的原子簇。当前许多长期研究TiO2光催化材料的人员表示，该材料的活性会在很大程度上受到TiO2表面惰性金属沉积的影响，研究人员普遍认为当惰性金属譬如铂、金、银等与TiO2表面直接接触，则会重新分布载流子，TiO2中的光电子将会直接向惰性金属转移，也就是说N型半导体将出现费米能级由高到低的转移，从而最终实现费米能级完全一致的情况。此时沉积在TiO2半导体表面上的惰性金属，逐渐演变成了电子捕获阱，使得光生电子加快了和空穴分离的速度，从而进一步延长空穴寿命，最终使得TiO2光催化材料具有较高的氧化活性。

2.TiO2金属离子掺杂

电子当中最为重要也最有效的接受体之一便是金属离子，位于导带中的电子将受其捕获，进而使得TiO2表面只有极少的光生电子与空穴能够进行复合，而这也将在无形之中大大增加TiO2表面的·OH粒子和·O2-粒子，使得TiO2光催化材料的活性越来越高[2]。国外有许多研究人员发现，将各种价态的金属离子掺杂于半导体后，其原本的催化性质将出现变化，根据梁慧、廖灵敏等人（2013）的研究著述可知，通过将正三价的铬离子掺杂在半导体当中，导带中的电子将全部捕获铬离子，从而使得TiO2的光催化活性被迫降低。如果将三价的铁离子掺杂其中，则量子效率最高可以提升18倍之多。而随后又有其他研究人员在此基础之上进行研究，发现使用注入金属的方法同样也会改变TiO2光催化材料的性质，但在此过程中研究人员普遍发现掺杂的金属离子必须将有效浓度控制在一定范围内，否则将使得电子极易和空穴进行复合。

3.非金属离子的掺杂

除了在TiO2当中掺杂金属离子之外，还可以向其掺杂非金属离子，事实证明通过将非金属离子譬如碳离子、氮离子、硫离子等掺杂在TiO2当中，其光吸收将朝着可见光的方向逐渐移动，从而大大增加了TiO2的可见光活性。根据相关研究显示，当TiO2中掺杂外界离子之后，其本身的能级结构将随之出现变化，由此生成一种全新的掺杂能级。而如果掺杂在TiO2当中的离子为非金属离子，则其形成的能级将与TiO2价带位置异常接近。此时的掺杂能级将处于禁带当中，TiO2表面将吸收长波光子，由此完成电子到TiO2导带的跃迁，使得TiO2有着更为广泛的吸收光谱范围。

4.TiO2复合半导体

通过使用浸渍法、混合溶胶法等方法，即可制备TiO2复合半导体，一般TiO2的复合半导体以二元及多元的形式存在。其中，各能级半导体之间相互运输光生载流子时，载流子容易相互分离，因此导致TiO2复合半导体的催化活性发生相应变化。譬如在TiO2-CdS复合半导体当中，当其受到超强能量光的技法之后，此复合半导体中的TiO2和CdS将同时出现电子带间跃迁的情况，而考虑到导带同价带能级往往大相径庭，因此TiO2和CdS将会分别聚集在二者的导带和价带之上，进而彻底分离光生载流子，使得量子效率得到大幅提升。而如果照射光本身能量不足，则有且只有CdS会发生带间跃迁，TiO2导带位置处接收从CdS中形成的激发电子，将会分离光生载流子，从而有效增强TiO2的催化活性。而相比于单个半导体，显然复合半导体的催化活性要高出许多。

图2 TiO2光催化材料成为光敏剂

5.TiO2的光敏化

TiO2中存在光敏化的作用，也就是说在TiO2的表面上会以物理或化学吸附的方式，吸附大量包括联吡啶Ru化合物等在内的染色物质，简单来说就是TiO2的表面上会吸附光活性化合物[3]。此类经可见光的照射将被彻底激发并形成光电子，常见的敏化剂有例如铂、金等会金属复合化合物，也有玫瑰红、紫菜碱等在内的有机染料。在可见光的环境之下，此类光活性物质将产生激发因子，且因此相对较大，而在活性物质激发态电势负于半导体导带的电势情况下，TiO2光催化材料导带中将极有可能被注入激发电子，从而使得氧元素对其进行捕获，大大增强了氧化还原反应中的还原活性。下图展示的就是TiO2光敏化：（如图2）。

（三）TiO2固定化

在溶液以及气相当中，TiO2光催化材料在光催化活性方面表现良好，但如果材料本身呈粉末状，则其细微的颗粒很难完全溶解，进而为回收催化剂增添了巨大困难，不利于TiO2光催化材料的具体使用。因此需要对TiO2光催化材料进行固定化处理，也就是进行负载型TiO2的制备，使得催化剂能够得到有效回收，并大大降低其自身毒性。但在刘波，庞治邦等人（2016）的论著当中指出，虽然通过制备负载型TiO2光催化材料，回收催化剂的难度被有效降低，但载体会在一定程度上影响催化剂自身的催化性能。

二、TiO2光催化材料在水处理中的实际应用

（一）处理有机污染物

在进行水处理的过程当中，如何处理水中难以进行生物降解的农药、燃料、表面活性剂等物质，成为影响我国水处理水平提升的一大关键问题。而以往使用活性炭吸附，只能吸附其中的一部分有机污染物，对于完全无法降解的污染物其依旧很难吸附。而使用化学氧化的方式将消耗大量的能源，并且同样难以对所有有机物进行氧化吸附。而TiO2光催化材料具有较为稳定的化学性质和良好的耐酸碱腐蚀性，尤其是极强的氧化性和可重复利用性，可以用最低廉的方式完成水中有机污染物的氧化处理，使得难以降解的有机污染物可以被有效降解。根据汪在芹、李珍（2013）等人的研究我们可以得出TiO2光催化材料在处理有机污染物方面具有较好的应用价值，下表展示的就是其在研究TiO2光催化材料处理有机污染物中取得的研究成果：

表1 TiO2光催化材料处理有机污染物

（二）处理水微污染物

在使用TiO2光催化材料处理水中的微污染物时，其可以利用光催化过程，首先羟基化水中的有害微污染物，之后对其进行脱卤，使得微污染物能够慢慢降解，最后被矿化成简单的有机物，如二氧化碳、水等，从而使得水中的有毒有害物质能够基本得到净化处理，进而有效改善水质，完成水处理。但在许多饮用水源当中都会存在一定量的腐殖质，尤其此类物质成分较为复杂，因此仅仅只使用TiO2光催化材料作为催化剂进行水处理，难以取得良好的净化效果。另外，在进行水处理中，人们习惯在最后一步使用氯消毒的方式将管网当中滋生的细菌彻底消除干净，但使用氯消毒工艺虽然能够将残余细菌一并消除干净，但对于具有抗氯性的细菌则无能为力，加之其在消毒过程中经常会出现附产物，因此人们在后期开始选择使用TiO2光催化材料辅助完成氯消毒工艺，在加入TiO2之后带有抗氯性的细菌也可以一并消除干净，同时也不会出现消毒附产物的问题，对于优化水处理具有积极作用[4]。

（三）处理无机污染物

通过在水处理中运用TiO2光催化材料，可以通过借助光还原反应完成无机离子的降解和贵金属的回收。有研究显示，通过使用TiO2光催化法，可以将Au从Au（CN）4-中还原出来，并将负价的CN离子同时氧化成二氧化碳和氨气，此种方法运用在处理工业废水当中可以有效将其中的贵金属还原出来，并且可以有效避免废水中的氰化物污染环境。另外，通过使用TiO2光催化材料，还可以将水中带有较高毒性的Cr6+进行毒性弱化，并且利用中性介质或是弱碱性的介质，使得Cr6+可以转化成氢氧化铬沉淀物，进而完成废水的深度净化。

三、结论

通过本文的分析我们可以得知，TiO2光催化材料本身不容易出现光腐蚀，对生物无毒无害，加之其使用成本较为低廉等优势特性，可以较好地运用在水处理当中。而本文通过TiO2光催化材料处理水中的有机污染物、无机污染物等，验证了该光催化材料在水处理方面的优越性，验证了使用TiO2光催化材料能够利用光还原反应、光催化途径等，在有效回收水中的贵金属以及无机离子等物质的基础之上，对其中毒性较高的物质进行弱化处理，同时慢慢降解水中的污染物，使其能够最终可以被转换为水、二氧化碳等简单的有机物或是几乎无毒的沉淀物，使得水质能够得到有效改善。

但在利用TiO2光催化材料处理水的过程中我们也发现这一材料存在一定的局限性，比如，由于在降解有机物的过程中，光催化反应几乎无任何选择性，因此导致其可以较好地降解大部分污染较小的有机物，但对于难以生物降解的污染物，其需要更为漫长的时间才能完成大部分的降解工作。另外，光催化剂从理论上来说具有一定的重复利用性，但在实际运用的过程中，重复利用光催化剂的步骤比较繁琐，限制条件也相对较多。但相信随着科学技术的不断进步，这一材料的性能也将得到进一步完善，进而可以在日后更好地运用在水处理当中，对改善水质发挥出更多的优势性能。

[1]梁慧，廖灵敏，汪在芹，李珍，李洋.纳米TiO_2光催化材料的制备及其在水处理中的应用研究进展[J].长江科学院院报，2013，09：93-100.

[2]刘波，姚吉伦，庞治邦，周振.TiO_2光催化技术及其组合技术在水处理中的应用[J].兵器装备工程学报，2016，01：155-160.

[3]陈丁南.TiO_2-AC复合材料制备及其光催化性能研究[D].南京师范大学，2013.

[4]张秀丽.浅谈纳米材料的特性及其在水处理工业中的应用[J].科技风，2016，19：111.