Ag 掺杂TiO2 光催化降解室内空气污染物的研究

洪雪华

（福建博海工程技术有限公司，福建 福州 350012）

锐钛型TiO2具有良好的光催化活性，作为一种环境净化技术，其通过化学氧化的方法，能将有机污染物分解为H2O、CO2及无毒无害的无机酸，且化学性质稳定，因而备受关注。但单纯的TiO2其禁带宽带为3.2eV，跃迁能量对应于太阳光中的紫外光部分，光源利用率不高且光生电子和空穴容易复合，导致光量子效率低。通过改性，如金属掺杂、染料敏化、表面修饰等方式，可有效提高TiO2在可见光范围内的光吸收，从而达到提高催化性能的目的。

1 TiO2 光催化原理

TiO2是一种n 型半导体，其光催化原理可用半导体能带理论来阐述。当用能量hv 大于或等于禁带宽度Eg的光源照射半导体材料时，其价带上的电子被激发，跃迁到导带中，同时在价带上产生相应的空穴，即形成一个电子-空穴对。光成空穴电势较高，具有极强的氧化性，而电子则具有强的还原性。在电场的作用下，电子和空穴持续分离，迁移到粒子表面的不同位置，与吸附在TiO2表面的物质发生反应。空穴与OH-或者H2O 发生作用，产生更高活性的·OH，可以氧化分解各种有机物，原理如图1 所示。同时，电子与空气中O2发生分解得到·O2-，也能与有机物发生氧化还原反应。反应式见式（1）～式（3）。

图1 光催化反应原理示意图

2 实验部分

2.1 TiO2 纳米粒子制备

本试验采用溶胶- 凝胶法合成纳米TiO2[3]。以Ti（OC4H9）4作为母体在溶胶-凝胶过程中制备TiO2纳米粒子时发生水解和缩聚反应，反应式见式（4）～式（6）。

根据文献，本实验以无水乙醇作为溶剂，Ti（OC4H9）4和H2O 的摩尔比为1∶2，V（无水乙醇）∶V（Ti（OC4H9）4）=4 ∶1。在溶胶的制备过程中，添加冰醋酸作为抑制剂，控制Ti（OC4H9）4的水解反应。加入少量的聚乙二醇作为分散剂，防止胶体团聚，通过滴加硝酸，调整溶胶的pH 值，pH 值在2 ～3 所得的胶体较为理想。具体反应过程：将120mL 无水乙醇倒入干净烧杯中，磁力搅拌10min，然后将30mLTi（OC4H9）4缓慢加入烧杯中，继续搅拌10min，再将3mL 冰醋酸逐滴缓慢滴加到烧杯中，继续搅拌10min。取少许聚乙二醇逐滴滴加到烧杯中，继续搅拌10min，取3.3mL 去离子水缓慢滴加到上述溶液中，继续高速搅拌10min。向溶液中滴加硝酸，调整pH 值在2 ～3，继续搅拌反应1h，得到淡黄色透明溶胶。将上述淡黄色溶胶陈化2h，然后置于400℃下煅烧3h，得到纳米级TiO2粉末。

2.2 银掺杂TiO2 纳米粒子制备

采用硫代硫酸钠作为络合剂，与AgNO3发生络合反应，络合银离子，再与TiO2溶胶混合搅拌制得3%Ag/TiO2淡黄色稳定透明的溶胶。将上述淡黄色溶胶陈化2h，然后置于400℃下煅烧3h，得到纳米级Ag/TiO2粉末。

3 结果与讨论

3.1 纳米TiO2 的光谱性能

将一定质量上述纳米TiO2粉末分散在蒸馏水中，同时加入一定质量的聚乙二醇、硅酸乙酯作为分散剂和成膜剂及木质素磺酸钠表面活性剂，高速搅拌，形成均匀稳定的白色乳浊液。

以紫外-可见非吸收硫酸钡作为参比物，对TiO2及Ag/TiO2进行紫外-可见漫反射分析，结果如图2 所示。从图中分析可知，Ag/TiO2在紫外光区域的吸收比TiO2更强，光谱响应范围向可见光区域拓展。由此可见，本实验成功将银离子掺杂到TiO2中。掺杂后，两者协同作用，吸收光能力增强，产生的电子-空穴对增多，提高了光催化效率。

图2 紫外-可见漫反射光谱

3.2 纳米TiO2 光催化降解室内空气污染物

在福州某小区1#楼602 的主卧（简称居室A，装修完成3 个月、面积约为20m2）进行光催化降解试验。用喷枪均匀地将Ag/TiO2溶液喷涂在四周墙壁及顶板。喷涂前，先测定室内污染物浓度（简称光照前）。用紫外灯照射48h 后，再测定污染物浓度（简称光照后），结果如表1 所示。参照标准：室内空气质量标准（GB/T 18883-2002）

表1 光照前后有机污染物浓度的变化

从表1 可知，装修完3 个月，室内甲苯、二甲苯、甲醛、TVOC 的含量均超标。在喷涂Ag/TiO2溶液后，经过48h的光照处理，有机物的浓度大大降低，均达到室内空气质量标准。结果表明，Ag/TiO2作为光触媒，治理室内空气污染物效果不错。鉴于污染物释放过程是一个持续的过程，需要经过多次处理后，才能达到更好的效果。

4 结束语

通过上述研究表明，Ag/TiO2作为光触媒，在紫外灯的照射下，可以有效降解室内有机污染物，净化室内空气。该Ag/TiO2光触媒无毒、无异味，制备方式简单，可将有机污染物分解为H2O、CO2及无毒无害的无机酸，有望在室内环境污染治理中得以推广应用。