二氧化钛光催化剂研究进展

二氧化钛光催化剂研究进展

工业催化张春明

摘要：催化是工业生产中追求高效率、高纯度、低耗能的有效手段。纳米TIO２以光催化凭着可以利用可见光进行催化反应而受到催化领域的亲昧,就纳米ＴIＯ２光催化剂目前的研究状况展开论述，并列举了ＴＩO2光催化剂应用领域和目前的制备方法。讨论了光催化剂的发展前景，揭示了目前光催化技术对当代化工事业的影响,并对未来的发展发表了预期的倡想。

关键词：二氧化钛光催化剂纳米材料研究进展

前言

通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思,光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质,其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。

光催化技术是在２0世纪７０年代诞生的基础纳米技术,在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素,在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术,用于环境净化,自清洁材料，先进新能源,癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。

目前光催化反应已经在废水处理这一领域逐渐成效。光催化氧化具有很强的氧化能力，在环境污染治理等方面显示出了巨大的应用潜力，是近年来国内外的一个热点研究领域。由于TｉO2半导体光催化具有生物降解所无可比拟的速度快、无选择性、降解完全等优点，又在价廉、无毒、可以长期使用等方面明显优于传统的化学氧化方法,在环境污染治理方面具有广阔的应用前景。另外最新研究成果显示将TIO2 光催化分子负于磁性,可有效的进行分离回收和再生循环使用。因此,可磁分离的技术的研究成果更为TIO2 光催剂的应用进展画上了光辉的一笔。

作为高新技术纳米材料。纳米TiO２的制备方法主要分为气相法和液相法,前者包括氢氧火焰水解法、气相氧化法、钛酸盐气相水解法和气相分解法等，后者则包括溶胶一凝胶法、微乳法、水解法、水热合成法和一步合成法等。尽管气相法制备的TｉO2粉体粒度小、纯度高、分散性好，但工艺复杂、成本高且对设备和原料的要求较高。相比而言,液相法制备TｉO2的工艺简单、成本低廉、设备投资小，已成为国内研究纳米TiO2常用的方法。现主要列举有关制备ＴiO2 光催化剂的研究进展。

1.光催化剂

光催化是在光的辐照下使催化剂周围的氧和水转化成极具活性的氧自由基，氧化能力极强,几乎可分解所有对人体或环境有害的有机物质。可用作光催化剂化合物,大多是具有半导体性质的,如Tｉ02、ＺnＯ、WＯ３以及CdS、ＺnS等。TiO2是最常用的光催化剂，因为他的光化学稳定性好,无毒且与人体相容性好[1］。

1.1.光催化反应的发现

197２年Ｆｕｊishimａ等[7]报道了在可持续发生水的氧化还原反应，并产生氢气，这个特性引起了环保领域科研工作者的极大兴趣,从此开创了半导体光催化技术的新纪元。TiOz因光催化活性高、氧化能力强、无毒、化学稳定性好、价廉等优点而最受重视。在提高半导体催化活性方面，金属或金属氧化物与半导体复合组成的光催化剂发展得非常迅速，制备和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热点。

1.2.Ti02光催化剂作用原理

当Ti0２吸收光子能量后,其价带上的一个电子跃迁到导带;原价带保留一个空缺，称为空穴,带正电荷。跃迁电子和电空穴都及不稳定,可供给周围介质,使其还原或氧化。因为Ｔi0２的带隙宽约为

3.2eV，必须是紫外线的能量(波长380nm）才能激发。产生的电子-空穴对迁移至Ti0２表面，分别进行还原(电子)、氧化（空穴)反应.

2.Ｔｉ02纳米光催化剂的应用领域

2.１. Ti０2纳米光催化剂薄膜对人工品状体表面修饰作用

复杂性白内障，如葡萄膜炎性、糖尿病性、外伤性及先天性白内障,因术后炎症反应明显，可导致晶状体前膜、瞳孔后粘连及后发性白内障等并发症的发生。因此减轻炎症反应、减少人工晶状体前膜及后发性白内障的形成成为人工晶状体修饰方面的研究目标。光催化是近2０年来最活跃的化学研究领域之一，纳米TiO:光催化剂具有化学性质稳定、生物相容性良好及受光激发后产生氧化还原反应等特点，可以有效的杀伤病毒、细菌、肿瘤细胞等有机物。本实验模拟人工晶状体表面修饰的方法对玻璃薄片表面进行TiO：修饰,在实验条件下观察纳米TiＯ:光催化剂薄膜受光激发后对牛晶状体上皮细胞(Leｎs ｅｐｉtｈeliuｍ cells,LＥC)的杀伤作用,为寻求一种具有动态、持续、安全抑制ＬＥC、炎症细胞增生,又具备杀伤细菌功能的人工晶状体表面修饰材料提供理论依据［1］。

2.2.含氯酚废水的处理

目前含氯漂白技术在我国依然是一种重要的纸浆漂白技术，由于漂白废水携带大量有机氯化物等毒性物质（如氯酚等），对水体产生了严重污染。因此，针对如何去除此类毒性物质的研究越来越受到广大科学工作者的关注，光催化降解就是其中的方法之一.大多数研究者将重点放在催化剂的改性及配伍方面，也有部分研究者开始考虑利用其他能场的协同效应来强化光催化降解(如利用微波辅助光催化降解氯酚,利用放射性物质60Cｏ－r源辐照降解4-氯酚等)。超声波作为一种重要的能场,其协同光催化降解氯酚物质的研究并不多，因此需进一步探索和研究超声波协同光催化降解氯酚废水的过程[2-3］。

２.３.纳米TiO2增强MQ硅树脂硅橡胶性能

硅橡胶具有优异的耐高低温、耐候、耐臭氧、抗电弧、电气绝缘性、耐化学品、高透气性及生理惰性等优点，因而在航空、宇航、电气电子、化工仪表、汽车、机械等工业以及医疗卫生、日常生活的各个领域得到了广泛的应用川。其中加成型硅橡胶由于硫化过程不产生副产物,收缩率极小且强度高，在高温下的密封性及抗返还性比缩合型好,而越来越得到人们的重视。

未增强的硅橡胶力学性能很差,因此龙江省石油化学研究院;东北林业大学的宁志强、徐晓沐、郊明伟等人通过试验得到如下结论：

１) MＱ硅树脂增强的硅橡胶中，加人少量纳米二氧化钦改性后,能够改善硅橡胶的力学性能,其硬度和断裂伸长变化不大,而拉伸强度和抗撕强度提高；

2） MQ硅树脂增强的硅橡胶中,加人少量纳米二氧化钦改性后，硅橡胶耐热性提高;

3） MQ硅树脂增强的硅橡胶中,加人少量纳米二氧化钦改性后，硅橡胶的溶胀比降低,凝胶质量分数和交联密度增加［4]。

2.4．杀菌方面的应用

随着生活水平的提高,人们对工作和生活环境的卫生日益重视。一般杀虫剂能使细胞失去活性,但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素，因此各种环保型的抗菌功能材料应运而生,并获得了迅速发展。利用纳米Ti0２光催化产生的光生电子与光生空穴与催化剂表面吸附的H２O或ＯH形成具有强氧化性的活性经基或超氧离子，与细菌细胞或细菌内组分进行生化反应,彻底杀死细菌,同时还能降解由细菌释放出的有毒复合物,防止内毒素引起二次污染。利用纳米Ti02相继制成

了抗菌陶瓷、抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌自洁玻璃、抗菌不锈钢和抗菌纤维等制品。另外,纳米

Tｉ02在中央空调的杀菌、杀菌涂料等方面,都能实现抗菌、抗霉和净化空气等功能[11]o C.Ｈu等人通过对ＡgI/Ti02复合的光催化剂的杀菌性能进行了研究,在可见光照射下,该催化剂可高效杀死大肠杆菌和葡萄球菌,而且检测表明，细菌完全分解为C的氧化物或小分子有机物。

3.纳米TiＯ

光催化剂的制备现状

２

2.1.液相法

Ti02由于具有光催化、电学、热稳定和化学稳定等方面的优良性能，在太阳能转化、紫外光吸

收、污水处理和颜料等领域具有广阔的应用前景，已经成为重要的无机功能材料。纳米Tｉ０2的研究进一步扩大了Ti02的应用范围,纳米级Ti02的备方法已经成为材料研究的焦点之一。纳米Ｔi02的制备方法主要分为气相法和液相法,前者包括氢氧火焰水解法、气相氧化法、钛酸盐气相水解法和气相分解法等，后者则包括溶胶一凝胶法、微乳法、水解法、水热合成法和一步合成法等。尽管气相法制备的Tｉ０2粉体粒度小、纯度高、分散性好，但工艺复杂、成本高且对设备和原料的要求较高。相比而言，液相法制备Ti02的工艺简单、成本低廉、设备投资小，已成为国内研究纳米Ｔi02常用的方法[5]。

２.２.气相法

气相法主要包括化学气相沉积法、溅射法、钛醇盐气相分解法、蒸发一凝聚法等，2００６年8月广东吉必时科技实业有限公司公布的一气相法纳米二氧化钛的制备工艺[10］，其细节是:一种气相法纳米二氧化钛的制备工艺,该工艺将四氯化钛经过汽化后与反应气体混合，充分混合的四氯化钛和反应气体通过燃烧喷嘴输入反应室,在反应室中利用反应气体燃烧生成的高温和水分进行高温水解缩合反应。燃烧喷嘴采用双层通道结构,外层为燃烧气体通道，内层为四氯化钛和反应气体通道,这种设计结构可以防止燃烧喷嘴的火焰回流以及为反应提供充分的热量,同时防止粒子在反应室内壁的沉积。反应生成的二氧化钛粒子经过聚集、分离、脱酸和浮选等工序最后获得纳米二氧化钛粉体。这种工业有工艺连续化程度高,非常适宜工业化生产,生产的纳米二氧化钛粒子具有活性高、分散性好、粒径分布均匀等优点。

另外还有很多的其他方法。目前制备纳米TiO2的方法非常多，而且各有其优缺点,现有的制备方法大多存在原料价格高、工艺设备复杂、生产成本居高不下、活性较低,以及在液相体系应用过程中难于回收等一系列问题。由此可推知纳米二氧化钛制备的发展趋势：(１）光催化材料正在从零维纳米材料向一维纤维、二维薄膜，以及以各种材料为载体的方向发展；(2)材料成分由单一的二氧化钛向多组分的复合材料方向发展；(3)从利用紫外灯等人工光源向利用太阳CI光自然光源方向发展。因此，随着纳米材料体系和各种超结构体系研究的开展和深入，纳米Ti02超细粒子的制备技术将会得到日益改进。

光催化剂反应器的研究

4.Ｔi０

2

4.1 光源的选择

4.1.1纯下几的催化光源

由下飞光催化机理可知,光催化的进行首先需要能量等于或大于半导体禁带宽度的光线照射,这样才能激发价带上的电子跃迁至导带,在价带上产生相应的空穴。用作光催化的主要有2种晶型：锐钦矿型和金红石型，其中锐钦矿型的催化活性较高。锐钦矿型的带隙为３.Ｚev,光催化所需人射光最大波长为３8７.sruｎ,所以用纯纳米下伍为光催化剂，需要外加紫外光源照射。一般使用的光源是紫外灯，包括黑光灯(主波长为365ｎｌn),普通低压汞灯(主波长为2５4nlu),杀菌灯(主波长为２5４ｒuｎ,属于低压汞灯的１种）等。杨庆等人用纯下仇降解甲醛时,对比了杀菌灯与黑光灯的降解情况,发现主波长为254ｌuｎ的杀菌灯降解率明显高于主波长是36５ｚun 的黑光灯，约提高了1９．0%。因为紫外光波长越短,其产生的光子能量越高,则激发催化剂的光量子效率也越高,从而有利于光生电子一空穴对产率的提高，推动了光催化降解反应。由此可知，在进行纯叭ｑ降解时，选择波长较短的紫外灯源如杀菌灯,节q催化活性会更佳。.

4.1.2 改性下仇的催化光源

为了充分利用太阳能,改变传统紫外照射催化的状况,各国学者通过对纳米下ｑ改性，扩大吸收波长范围,使催化反应在可见光下就能有效进行。因此,使用的光源开始有所改变,如高压汞灯(主波长为619nln左右），氮灯（主波长为姗 nln左右)等。目鹏飞圈等人使用掺铁下仇进行光催化降解时，在氮灯照射下，掺杂对催化剂降解率的提高作用比汞灯更明显,这是因为氮灯滤去了大部分紫外光，主要波长是大于闷田ｎm 的可见光，渗铁之后催化剂的光响应范围拓展到可见光区,所以掺Fe 的下几催化剂在可见光区有较高的催化活性。李晓红〔l’］等人作下ｑ/５1飞纳米粒子气相光催化降解甲苯的研究实验时,选用的是高压汞灯作催化光源。可见，当涉及改性下仇的催化降解研究时，应选用氨灯等主波长位于可见光区的光源。而各种掺杂物质有其特定的最佳光响应区间，故应选择

主波长相对应的光源为宜。

4．2 反应装置的设计

研制高效的光催化反应器,充分利用光催化剂的催化活性，提高光催化降解效率,对于下场催化降解气相污染物的研究具有重要意义。在光催化反应器的设计中[lｓ]，必须解决的问题是气固的良好接触(传质)与降低气阻间的矛盾，并尽可能提高光能利用率。设计光催化反应器，首先要确定反应器内部的光化学反应、传质、传热等过程。光化学反应器模型与传统反应器模型间的差别在于需进行辐射能量衡算以确定反应器内辐射能量分布，影响反应器内辐射能量分布的主要因素包括:①反应器几何形状;②反应器光学厚度；③光源与反应器间的相互位置；④辐射波长;⑤反应体系中多相存在的影响;⑥反应器的混合特征。众多专家学者在实验室模拟反应器的研究中，设计的反应装置在光催化降解实验中取得令人满意的效果,为光催化反应器的深人化研究有重大指导作用。

４.2.1普通箱式间歇式光催化反应系统

杨庆等人利用下几多孔性薄膜光催化降解低浓度甲醛，该系统主要由密闭箱、光催化反应模件和分析检测系统3部分组成，如图1所示。密闭箱的材质是铝合金,总容积1矽，光催化反应模件的截面是矩形，横截面积为汉刀。矛，模件的中央安装有紫外灯(主波长乃４ｎm 的nw杀菌灯),紫外灯两侧等距离处设有可固定催化剂载体的支撑槽(每个支撑槽内均装填1张印目镀膜4次的丝网），紫外灯的中轴线到丝网表面的垂直距离是 3.scm，在光催化反应模件出口处装有轴向引流风扇，引导反应气体通过催化剂的表面。分析检测系统为甲醛检测仪,用于测定反应系统内的甲醛浓度。该系统结构较简单，操作性较好,催化剂能充分发挥其活性,甲醛降解率可达86.８%,但其材质铝合金的吸附性较强,会对甲醛降解率的检测带来一定误差,再者缺少配气系统,对系统的温度湿度等参数缺乏监控，其间歇式系统无法实现连续性气体循环的状态，因此实际应用价值不高,需进一步完

善。

１一密闭箱;2一光催化反应模件；

3一不锈钢丝网负载的光催化剂;

４一轴向引流风扇;

5一紫外灯；6一辅助风扇;

７一支架;8一进样口;９一甲醛检测仪

图间歇式循环光催化系统

4.2.２配气控温湿的光催化反应系统

张彭义等人采用的气相光催化实验装置由配气系统、光催化反应器和检测分析系统3部分组成，如图2所示。配气系统（自制)用于提供恒定流速的甲苯气体，通过针形阀和调节恒温槽的温度来控制甲苯的浓度和湿度。光催化反应器为圆柱状不锈钢管，内壁经过抛光处理，总长530二,内径麟ｎun,壁厚3ｎun ,有效体积１．料L，外有冷却水套筒,光源(巧W，低压汞灯或黑光灯;使用主波长为254rｕn 的低压汞灯)置于反应器中央。炭黑改性下ｑ光催化剂负载在铝片或不锈钢网上，载体长宽为闷4０二 x２0１nnn ,采用溶胶一凝胶法经过6次涂覆与高温热处理制备，卷绕后置于反应器的内壁(如不特别说明，所用催化剂均负载在铝片上)。检测分析系统主要由气相色谱仪（扭巧8如Ｄ/月。)、六通阀、湿度计等组成,用于测定反应器人口和出口甲苯的浓度以及湿度等。此反应系统整体配置相对周全,配气的提供与温度、湿度等参数的测控都纳人系统之内,能更全面地分析光催化反应的各影响因素,数据的准确性和稳定性较佳。

1一空气发生装置;

２一水;3一甲苯;

4一恒温槽

5一混合管;

6一光催化反应器;7-－皂膜流量计

图气相光催化装置

4．2.3 套管是栅式的光催化反应系统

梁世强的反应器内套管安装紫外光管,内、外套管中间是栅式多层的毛伍/ACF催化剂，每层催化剂由不锈钢丝网承载隔开,每层之间有一定的间隔空间，保证催化剂与紫外光充分接触。气体通过气流分布器轴向穿透催化剂层。反应器外套内衬锡箔。以加强光反射和隔绝催化剂与有机材料的接触。反应器内径为125mｍ,长２2０Ｉnlｎ，紫外光管乃4。,２0w。此反应系统形状构造特别,轴式的光源和栅式多层的催化剂设计，能充分利用紫外光，极大地增大了催化剂与紫外光接触面积,进一步提高催化反应的效率。但此反应器缺少配气系统，对温度湿度等参数也缺乏监控，对催化反应的影响分析不够全面。

1一玻璃管;

2一萦外灯管；

3一锡箱;4一光分布层;

5一气流分布器;

6一钢丝网；７一催化剂层图光反应器结构4.2.4 模拟房间的全回风自循环光催化反应系统

姜坪等人的下伍光催化材料降解模拟空调房间甲醛气体的实验装置如图4所示,空调房间的尺寸为0．ｇmｘlmx2，璐ｍ,下乌光催化滤网的迎风速度为1.6口“８，为全回风循环系统，通风量为。.1%矽／s。将肠飞光催化材料置于风道中的空气过滤器上,同时将紫外灯也放人风道内。紫外灯每开３05后关闭，测试模拟房间内的甲醛浓度，重复测试9次。此系统有别于前面所介绍的密闭间歇系统，采用的全回风自循环的模拟房间使反应条件更接近实际，能更真实地反映催化反应在实际应用的间题，使实验的数据更具有应用价值。

1一萦外灯管;

2一纳米叭飞玻璃纤维;

３一表冷器;

４一风机图模拟空调房间实验装置

以上催化反应系统各具特色，也各有利弊。今后的反应器研究应在现阶段的探求成果上进一步完善,力求设计出充分利用光源和提高催化剂与气体、光线的接触面积，参数监控完备,更具有实际应用价值的高效反应器。

5.光催化剂性能的提高

3．1.减少Ti02的晶体尺寸

Ti０2晶粒尺寸大小对光生载流子的复合率有很大影响,当半导体纳米颗粒为1~10nｍ时，存在着显著的量子尺寸效应。孙凤玉等[6]研究了纳米Ti02的制备条件与其晶粒尺寸和相构的关系，探讨了Ｔi０２纳米尺寸效应对其光催化活性的影响，发现当晶粒尺寸小于16nm时，二氧化钛半导体具有明显的尺寸量子效应,尺寸量子效应对提高Tｉ02光催化降解苯化活性起到了极为重要的作用。

3.2.掺杂过渡离子和金属离子

由于过渡金属元素存在多化合价,在Ti02中掺杂少量的过渡金属离子,可在催化剂晶格中引入缺陷位置或改变晶体结晶度，从而影响光生电子与空穴的复合时间,提高Tｉ02的光催化活性;其次由于多种过渡金属离子具有比Ti０2更宽的吸收范围,可更有效地利用太阳能。Ｃｈｏi等[7], 以氧化CHCl

３和CCI４为反应模型，研究了2１种溶解金属离子对量子化Ｔｉ02的掺杂效果,结果表明在０．5%金属离子掺杂的Ｔi02中以Ｆe3+效果最佳：过低，光生电子一空穴不能有效分离(浅势阱数量不足)；过高，增大电子与空穴的复合几率，有可能使掺杂离子在Ti０2中达到饱和而产生新相，减少Ti０2的有效表面积，从而低光催化的效率。

3．３．掺杂非金属离子

掺杂非金属离子如氮掺杂［7]是近年来研究的热点，吴遵义等用氮、铂共掺杂制备二氧化钛，用溶胶一凝胶法制备了氮掺杂纳米Ti0２，并用光分解沉淀法在N-Ti0２表面负载上金属Pt,形成了铂氮共掺杂纳米Ｔi０2，通过X射线衍射、光电子谱、紫外一可见吸收、扫描电镜和光电流测试对其进行了表征，结果表明：Pt和N共掺杂对Tｉ02形貌的影响不大,但其吸收边带较纳米Tｉ02红移20n ｍ，电极在可见光区的光电流为纳米Ti02电极的4倍。Daｍbar B列的实验中,在二氧化钛中掺杂了Ａｇ、C和S，使Tｉ02在太阳光下效果也不错,金属离子和非金属离子起了协同作用,另外半导体的复合可提高系统电荷分离的效果,延长光生载流子的寿命,扩展其光谱响应的范围,从而提高光催化效率［７]。

3．4．表面光敏化

表面光敏化是通过化学或物理吸附把具有光活性的化合物(多为有机光敏材料)吸附到催化剂表面。这些物质在可见光的照射下,电子被激发后注入到半导体的导带上,从而加宽了Ti02的吸收波长(可长达6０0nm的近红外区)，有效扩展了Ti0２光催化剂在可见光区的光谱响应。已见报道的敏化剂包括一些贵金属化复合化合物，如Ru及Ｐd、Ｐｔ、Ｒh、Aｕ的氯化物，及各种有机染料包括叶绿酸、联吡啶钌、曙红、酞菁、紫菜碱、玫瑰红等[8]。光敏化使利用太阳光降解污染物成为可能，同时提高了光催化效率，敏化染料分子的性质是电子生成和注入的关键因素。作为光敏剂的染料一般应具备以下条件:(1)对太阳要有较强的吸收能力；（2)能有效地被Ti02捕获并牢固吸附在半导体上，以实现可见光激发;(３)激发态能级与Ti02导带能级的催相匹配且激发态能级应高于Tｉ02导带能级，以保证电子的注入;(4)敏化材料本身要有一定的稳定性。

6.前景展望

TiO2以其无可比拟的光催化性能,引起了国内外材料、环境、化学、物理等学科科学家的广泛关注，Ti02光催化剂的可见光化研究，将为人类充分利用太阳能，改善人类生活环境迈出重要的一步。经过世界各国科学家的共同努力，Ti0２可见光化研究虽然已经取得了一定的进展,对TｉO2的各种改性方法Tｉ０2、或多或少都提高了太阳能的利用率。但从目前的研凝究成果看,可见光催化或能量转换效率还普遍偏低，实现完因此可见光Tｉ02光催化剂的研制仍将是今后的研究热点。我国钛资源储量众多,居世界之首，如果能够利用丰富的钛资源，生产出可见光催化剂,不仅对我国的经济发展有促进作用,而且可以改善我们的生存环境。

现在纳米ＴiO２光催化剂的制备方法普遍存在成本高、过程难以控制、所得产品为颗粒状不利于使用及回收等缺点，很难满足人们对高质量TiO2光催化剂的实际应用的要求。因此,迫切需要研究新的制备纳米TiO:光催化剂的制备方法,使之既可与基体附着牢固,又不影响其催化活性。今后的研究还应在催化剂的固定化、提高催化剂活性、抑制催化剂失活、新的制备方法等方面进行。

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TiO2光催化原理及应用

TiO2光催化原理及应用 一.前言 在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界围每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并且可能导致二次污染。包括我国在世界围广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比较安全的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。 自然界中，植物、藻类和某些细菌能在太的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或硫化氧）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）。这种光合作用是一系列复杂代反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反应中最简单的形式，但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。 半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物(有机物、无机物)分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域，它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目的，对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。 二.TiO2的性质及光催化原理 许多半导体材料(如TiO2，ZnO，Fe2O3，ZnS，CdS等)具有合适的能带结构可以作为光催化剂。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。 TiO2属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板

二氧化钛及其应用

编辑本段

编辑本段应用特性 纳米TiO2的功能及用途 纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中。 2.1.杀菌功能 在紫外线作用下，以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准。在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌，防止感染。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。 1）纳米二氧化钛抗菌特点： 1 对人体安全无毒，对皮肤无刺激性。 2 抗菌能力强，抗菌范围广。 3 无臭味、怪味，气味小。 4耐水洗，储存期长。 5热稳定性好，高温下不变色，不分解，不挥发，不变质。

6即时性好，纳米二氧化钛抗菌剂仅需1h就能发挥效果，而其他银系抗菌剂效果则需约24h。 7纳米二氧化钛是一种永久性维持抗菌效果的抗菌剂。 8具有很好的安全性，科用于食品添加剂等，与皮肤接触无不良影响。 2）纳米二氧化钛的抗菌原理： 纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧化钛的电子结构特点为一个满 TiO2的价带和一个空的导带 ,在水和空气的体系中 , 纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下 ,当电 子能量达到或超过其带隙能时 ,电子就可从价带激发到导带 ,同时在价带产生相应的空穴 ,即生成电子、空穴对 ,在电场的作用下 ,电子与空穴发生分离 ,迁移到粒子表面的不同位置 ,发生一系列反应 : TiO2 + hν e —— + h H2O + h——·OH+ H O2 +e——O2 · O2 ·+ H——HO2· 2HO2· —— O2 + H2O2 H2O2 +O2 · ——·OH+OH +O2 吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘获电子形成O2 ·, 生成的超氧化物阴离子自由基与多数有机物反应(氧化) ,同时能与细菌内的有机物反应 ,生成CO2和 H2O;而空穴则将吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成·OH,·OH 有很强的氧化能力 ,攻击有机物的不饱和键或抽取 H原子产生新自由基 ,激发链式反应 ,最终致使细菌分解。 TiO2 的杀菌作用在于它的量子尺寸效应 ,虽然钛白粉(普通 TiO2)也有光催化作用 ,也能够产生电子、空穴对 ,但其到达材料表面的时间在微秒级以上 ,极易发生复合 ,很难发挥抗菌效果，而达到纳米级分散程度的TiO2 ,受光激发的电子、空穴从体内迁移到表面 ,只需纳秒、皮秒、甚至飞秒的时间 ,光生电子与空穴的复合则在纳秒量级 ,能很快迁移到表面 ,攻击细菌有机体 ,起到相应的抗菌作用。 惠尔牌纳米二氧化钛具有很高的表面活性，抗菌能力强，产品易于分散。经试验表明，惠尔牌纳米二氧化钛对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和曲霉菌等具有很强的杀菌能力，已广泛应用于纺织、陶瓷、橡胶、医药等领域的抗菌产品，深受广大用户的欢迎。 3）国内外对纳米二氧化钛抗菌性的研究及应用实例 1 农田抗菌剂：日本开发了一种新型无菌杀菌剂。其主要成分为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和银、铜等离子，可用于土壤中，对所有的细菌都有很强的抗菌性。改杀菌剂是陶瓷类微量混合金属离子，并在含有相同离子的催化剂作用下，具有使土壤中的氧活化之功能，该功能能持续时间长达2-5年。

二氧化钛光催化剂的制备研究

实验题目：二氧化钛光催化剂的制备研究 实验仪器及药品：钛酸正四丁脂（分析纯），无水乙醇（分析纯），冰醋酸（分 析纯），盐酸（分析纯），蒸馏水。恒温磁力搅拌器，搅拌子，烧杯(100 mL)，恒压漏斗(50 mL)，量筒(10 mL, 50 mL)。恒温箱，马啡炉。1g/l亚甲基蓝标准溶液、蒸馏水、烧杯（100ml）、紫外光分度仪、紫外灯 实验原理：溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒～1000nm之间。凝 胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。 溶剂化：M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+ 水解反应：M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH------M(OH)n 缩聚反应: 失水缩聚：-M-O H+HO-M-=-M-O-M-+H2O 失醇缩聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH 钛酸四丁脂在酸性条件下，水解产物为含钛离子溶胶 含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团，最后形成稳定凝胶实验步骤：（一）、二氧化钛的制备 1、室温下量取22ml无水乙醇，加入到洗净吹干的烧杯中，放入转子后用保鲜膜密封。室温下量取17mL钛酸丁酯，打开自理搅拌器。将酞酸丁酯缓慢滴入到22mL无水乙醇中，边加入边搅拌。滴加完毕后用保鲜膜密封，用磁力搅拌器强力搅拌10min，混合均匀，形成黄色澄清溶液A。 2、将0.3 mL冰醋酸，到另35mL无水乙醇中，滴入浓硝酸约3-4d，调节pH值，使pH=2-3，得到溶液B。 3、室温水浴下，在剧烈搅拌下将已移入恒压漏斗中的溶液B缓慢滴入溶液A中，滴加速度控制在大约2d/s.滴加完毕后得浅黄色溶液，继续搅拌大约半小时后，缓慢逐滴滴加去离子水，控制1d/min左右。逐滴滴加直至出现凝胶。 4、静置凝胶2h以上，将凝胶放入恒温箱在160℃下烘干4h，得到细小颗粒物后研磨至白色粉末。将白色粉末在500℃下煅烧2-3h得到白色TiO2粉体3.8048g。 （二）、二氧化钛产物的检测

纳米二氧化钛的性质及应用进展

纳米二氧化钛的性质及应用进展 牙膏工业2006年第3期 纳米二氧化钛的性质及应用进展 李志军王红英 (深圳职业技术学院工业中心518055) 摘要:纳米二氧化钛微粒具有大的比表面积,其表面原子数,表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,由于其尺寸的 细微化,表现出独特的物理和化学特性,导致纳米二氧化钛微粒的热,光,敏感特性和表面稳定性等方面不同于常规粒子,这 就使其在环境,信息,材料,能源,医疗与卫生等领域有着广阔的应用前景.综述了纳米二氧化钛的性质,并介绍了近年来纳 米二氧化钛的应用研究发展动态. 关键词:纳米粉体二氧化钛性质应用 纳米微粒是指颗粒尺寸在I—lOOnm的超细微 粒.由于纳米微粒具有了量子尺寸效应,小尺寸效 应,表面效应和量子隧道效应,因而展现出许多特有 的性质,在催化,滤光,光吸收,医药,磁介质及新材 料等方面具有广阔的应用前景.纳米二氧化钛因其 具有粒径小,比表面积大,磁性强,光催化,吸收性能 好,吸收紫外线能力强,表面活性大,热导性好,分散 性好,所制悬浮液稳定等优点,因此倍受关注,制备 和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热 点….本文将介绍纳米二氧化钛的一些基本性质 及其主要的应用研究进展. 1纳米TiO的基本结构 二氧化钛是金属钛的一种氧化物,其分子式是 TiO.根据其晶型,可分为板钛矿型,锐钛矿型和金

红石型三种.其中锐钛矿型TiO属于四方晶系,其晶格参数仅0=37.85nm,C0=95.14nm.图1为 两种晶型单元结构图.锐钛矿型TiO的单元结 构中钛原子处于钛氧八面体的中心,其周围的6个氧原子都位于八面体的棱角处,有4个共棱边,也就是说,锐钛矿型的单一晶格有4个TiO分子.锐 钛型TiO的八面体呈明显的斜方晶型畸变,Ti—O 键距离均很小且不等长,分别为I.937×10.m和1.964×10.11'1,这种不平衡使TiO分子极性很强, 强极性使TiO表面易吸附水分子,使水分子极化而形成表面羟基. 这种表面羟基的特殊结合使其表面改性成为可 ●Ti oO 金红石型 (a)(b) 图1TiO2的两种晶型单元结构图[.】 能,它可作为广义碱与改性剂结合,从而完成对TiO2的表面改性. 2纳米TiO的表面性质 2.1表面超亲水性 目前的研究认为,在光照条件下,TiO表面的 超亲水性起因于其表面结构的变化.在紫外光照射下,TiO价带电子被激发到导带,电子和空穴向 TiO表面迁移,在表面生成电子空穴对,电子与 Ti反应,空穴则与表面桥氧离子反应,分别形成正三价的钛离子和氧空位.此时,空气中的水解离吸附在氧空位中,成为化学吸附水(表面羟基),化学 吸附水可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附

偶联剂改性对纳米二氧化钛光催化活性的影响杨平霍瑞亭

卿胜兰等：高三阶光学非线性CdS–SiO2复合薄膜的电化学溶胶–凝胶制备及表征? 409 ?第41卷第3期 DOI：10.7521/j.issn.0454–5648.2013.03.23 偶联剂改性对纳米二氧化钛光催化活性的影响 杨平，霍瑞亭 (天津工业大学纺织学院，天津 300387) 摘要：为了提高纳米TiO2颗粒分散性和光催化活性，用醇解法在纳米TiO2颗粒表面接枝硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。通过Fourier变换红外光谱表征样品表面的官能团，同时测定接枝改性样品表面的羟基数、亲油化度和在有机介质中的分散性能及光催化活性。结果表明：部分偶联剂分子以化学键的形式接枝在纳米TiO2颗粒表面。改性后的纳米TiO2颗粒呈亲油性，表面羟基数急剧减少，亲油化度显著提高。改性纳米TiO2颗粒在有机介质中团聚现象减小，分散稳定性提高，分散后的平均粒径最小可达50nm。改性纳米TiO2颗粒在有机介质中的光催化活性得到显著提高。 关键词：纳米二氧化钛；偶联剂；光催化活性 中图分类号：O643；X7 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2013)03–0409–07 Influence of Coupling Agents Modification on Photocatalysis Activity of Nano-TiO2 YANG Ping，HUO Ruiting (School of Textile, Tianjin Polyester University, Tianjin 300387, China) Abstract: In order to improve the dispersion stability and photocatalysis activity of TiO2 nano-particles, silane coupling agent and titanium coupling agent groups were grafted on the surface of TiO2 nano-particles by an alcolholysis method. The surface bonding property of the TiO2 nano-particles was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy. The hydrophobic, content of surface hydroxyl, dispersion stability in the organic solvent and photocatalysis activity of the nano-particles were determined. The results indicate that the molecular of coupling agent are bonded on the surface of TiO2 nano-particles by chemical bonds. The TiO2 nano-particles were lipophilic, the content of surface hydroxyl decreased and the lipophilic degree improved. Also, the aggregation of the modified TiO2 nano-particles with the average size of 50nm was reduced and the dispersion stability was improved, leading to the enhancement of the photocatalysis activity. Key words: nano-titanium dioxide; coupling agent; photocatalysis activity 自Fujishima等[1]发现了锐钛矿型TiO2在光照条件下，可诱导水分子电离出氢氧自由基(?OH)以来，TiO2在光催化方面的研究与应用受到广泛的关注。纳米TiO2因其具有良好的抗紫外、抗菌除臭、催化降解等性能，并且TiO2无毒，具有较好的化学稳定性且廉价易得，因此广泛应用于建筑涂料、功能纺织品、防晒化妆品、污水处理等领域[2–5]。然而，纳米TiO2颗粒比表面积大、表面能高，在液相介质中受粒子间van der Waals力的作用而发生团聚；此外，纳米TiO2具有超亲水性，其在有机相溶液中不易分散，并且分散稳定性差，这成为纳米TiO2使用过程中亟待解决的问题。 提高纳米粉体在有机相介质中的分散性的常用方法是有机表面改性法，主要有聚合物包覆法[6–7]、表面活性剂法[8–9]和偶联剂法[10–11]等，其中，使用偶联剂对粉体进行改性的方法较为普遍。偶联剂是一种由亲水的极性基团和亲油的非极性基团两部分组成的双亲化合物，其分子中的亲水基团与纳米粉体表面的羟基反应，使纳米颗粒表面亲水性转变成亲油性，从而达到改善纳米粉体与有机相液体的相容 收稿日期：2012–10–21。修订日期：2012–11–22。第一作者：杨平(1986—)，男，硕士研究生。 通信作者：霍瑞亭(1964—)，男，博士，教授。Received date:2012–10–21. Revised date: 2012–11–22. First author: YANG Ping (1986–), male, Master candidate. E-mail: yahoo-xp@https://www.sodocs.net/doc/5415744938.html, Correspondent author: HUO Ruiting (1964–), male, Ph.D., Professor. E-mail: huort@https://www.sodocs.net/doc/5415744938.html, 第41卷第3期2013年3月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 41，No. 3 March，2013

负载型纳米二氧化钛光催化剂的研究进展

负载型纳米二氧化钛光催化剂的研究进展 占长林，雷绍民 武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉（430070） E-mail: chl_zhan@https://www.sodocs.net/doc/5415744938.html, 摘要：TiO2光催化氧化技术是当前最有应用潜力的一种环保新技术，在废水处理、空气净化、抗菌除臭、自清洁等领域具有广阔的应用前景。负载型TiO2光催化剂的制备是实现光催化氧化技术工业化应用的关键技术之一。本文对负载型TiO2光催化剂的制备方法及负载所选用的载体类型进行了综述。 关键词：TiO2；光催化；制备；载体 1. 引言 半导体光催化氧化技术是近年来研究发展起来的一种新的污染治理技术。研究发现，利用半导体光催化法能够有效地降解甚至矿化水和空气中的各种有机污染物，例如卤代烃、硝基芳烃、酚类、有机颜料、杀虫剂、表面活性剂等；能够有效地将无机污染物转化成无毒的物质，例如可以去除废水中的有毒重金属离子，如C r6+、Ag+、Hg2+、Pb2+等[1]，也可以将氰化物[2]、亚硝酸盐、硫氰酸盐[3]等转化成无毒的形式；还可以应用于抗菌、除臭、空气净化、自洁净材料以及杀死癌细胞等[4, 5]。目前，已经研究开发的半导体光催化剂有TiO2、ZnO、WO3、CdS、ZnS、SnO2、Fe3O4等。其中，TiO2具有化学稳定性好、耐腐蚀、高活性、廉价、无毒等优点，因此被广泛地用作光催化剂。 目前，TiO2光催化剂在水处理的应用中，大多是采用悬浮体系。粉末状悬浮态的TiO2颗粒在液相中与污染物接触面积大，传质效果好，因此催化效率高。但是目前的商品TiO2颗粒细小而且比重较小，在流体中不仅分离困难，难以回收，而且易发生凝聚降低活性，极大地限制了其实际应用。将TiO2固定在某种载体上，可以克服悬浮相TiO2光催化剂的缺点，解决催化剂分离回收难的问题，而且可以根据光催化反应器结构的不同来选择不同载体和固定化工艺。 2. TiO2光催化剂的固定化工艺 TiO2的负载大体上包括两种方式：一种方式是将TiO2负载到光滑平整的载体上，形成均一连续的薄膜；另一种方式是将TiO2紧紧固定到某种载体上。实际上，这两种方式在制备方法上是大同小异，只是所选择的载体有所不同。一般而言制膜技术可用于固定化的负载，但固定化的负载技术不一定适合于制膜，光催化剂的制备方法主要有以下几种。 2.1 溶胶－凝胶法（Sol-gel） 溶胶－凝胶法是以钛的无机盐类（如TiC14、Ti(SO4)2等）或钛酸酯类（如钛酸丁酯、、钛酸四异丙酯等）为原料，将其溶于低碳醇中（如乙醇、异丙醇等），然后在室温下加入到强度酸性的水溶液中（如HNO3、HCl），强烈搅拌下水解制得TiO2溶胶。然后再根据不同的载体采用不同的工艺进行涂膜，如载体为片状，用浸渍提拉法、旋涂法、喷涂等方法将TiO2溶胶涂布其上，使其在100℃或自然状态下凝固，再在一定温度下（300～700℃）烧结一定时间即得到负载型TiO2光催化剂。 张新荣等[6]以四异丙醇钛、硅酸乙酯为原料，空心玻璃微球为载体，采用溶胶—凝胶法制备可漂浮附载型复合光催化剂TiO2·SiO2/beads，该负载型复合光催化剂活性显著增强,而

纳米二氧化钛的应用

纳米二氧化钛的应用 纳米二氧化钛作为一种高效、无毒的光催化剂，在环保领域的应用越来越 受到人们的广泛关注和重视。抗菌材料纳米TiO2以其优异的抗菌性能成为开发研 究的热点之一，以期应用于水处理装置、医疗设备、食品包装、建材（如抗菌地砖、抗菌陶瓷卫生设施、抗菌砂浆、抗菌涂料等）、化妆品、纺织品、日用品以及家用电器等各个领域。1、气体净化环境有害气体可分为室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢及氨气等。TiO2通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。大气污染气体，主要是由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化合物。利用纳米TiO2的催化作用将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸，在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷TiO2光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催化设备，均可有效地降解污染物，净化室内空气。利用纳米TiO2开发出来的一种抗剥离光催化薄板，可利用太阳光有效去除空气中的NOx气体，而且薄板表面生成的HN03可由雨水冲洗掉，保证了催化剂活性的稳定。2、抗菌除臭抗菌是指纳米TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。TiO2光催化剂对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很强的杀能力。当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时，2被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)能穿透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效地杀灭细菌，并抑制细菌分解有机物产生臭味物质(如H2S、SO2、硫醇等)。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。3、处理有机污水工业污水和生活污水中含有大量的有机污染物，尤其是工业污水中含有大量的有毒、有害的有机物质，这些污染物用生物处理技术很难消除。许多学者对水中有机污染物光催化分解进行了系统的研究，结果表明以TiO2为光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO2和H2O等无害物质。4、处理无机污水除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，例如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂表面时，能够捕获表面的光生电子而发生还原反应，使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+，从而起到净化污水的作用；一些重金属离子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应，可回收污水的无机重金属离子。5、防雾、自清洁功能TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。阅读会员限时特惠 7大会员特权立即尝鲜 如果把高层建筑的窗玻璃、陶瓷等这些建材表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能。 6、抗菌塑料 在日常生活中人们是离不开塑料制品的，如卫生间设施、桌面、垃圾箱、厨房用具、家用电器的塑料外壳、食品包装袋等等，由于温度、湿度合适，非常容易滋生感染细菌。因此!，对此类材料进行抗菌处理是极其必要的。 徐瑞芬等【2】 利用纳米TiO2作为无机抗菌剂，研制抗菌广谱长效的功能塑料。结果表明：采用锐钛矿

二氧化钛光催化剂

Ti O2纳米颗粒的制备及表征 在关于有关Ti O2纳米颗粒的研究中，制备方法的研究是很多的，同时，采用溶胶-凝胶法合成纳米Ti O2的文献报道比较多，通常采用溶胶-凝胶法合成的前驱物为无定形结构的，经过进一步的热处理后或者水热晶化才能得到晶型产物[49]。烧结过程能促使晶型转变，但是往往引起颗粒之间的团聚和颗粒的生长[50]。一般情况下，在大于300℃温度烧结处理得 到锐钛矿型Ti O2、大于600℃的温度烧结处理得到金红石型Ti O2。Ti O2的很多种性质取决于颗粒尺寸和晶化度。优化制备条件，得到分散性良好，催化性能好的光催化剂是很有研究意义的。 实验原理 溶胶-凝胶法是从材料制备的湿化学法中发展起来的一种新方法，是以金属醇盐或无机 盐为原料，其反应过程是将金属醇盐或无机盐在有机介质中进行水解、缩聚反应，使溶液形成溶胶，继而形成凝胶。凝胶经陈化、干燥、煅烧、研磨得到粉体产品。其中由于较多研究者以醇盐为原料，故也将其称为醇盐水解法。在溶胶-凝胶法中，溶胶通常是指固体分散在 液体中形成胶体溶液，凝胶是在溶胶聚沉过程中的特定条件下，形成的一种介于固态和液态间的冻状物质，是由胶粒组成的三维空间网状结构，网络了全部或部分介质，是一种相当稠厚的物质。 本文中，钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)在水中水解，并发生缩聚反应，生成含有氢氧化钛(Ti(OH)4)粒子的溶胶溶液，反应继续进行变成凝胶,反应方程式如下： 水解Ti(OC4H9)4+4 H2O →Ti (OH)4+ 4HO C4H9 (2-1) 缩聚2Ti (OH)4→[Ti (OH)3]2O+H2O (2-2) 总反应式表示为： Ti(OC4H9)4+ 2H2O→Ti O2 + 4 C4H10O (2-3) 上式表示反应物全部参加反应的情况，实际上，水解和缩聚的方式随反应条 件的变化而变化。反应过程为： (1) 水解反应：可能包含对金属离子的配位，水分子的氢可能与OR 基的氧通过氢键引起 水解。 (2) 缩聚反应：在溶液中，原钛酸和负一价的原钛酸反应，生成钛酸二聚体，此二聚体进 一步作用生成三聚体、四聚体等多钛酸。在形成多钛酸时Ti-O-Ti 键也可以在链的中部形成，这样可得到支链多钛酸，多钛酸进一步聚合形成胶态Ti O2，这就是通常所说的 Ti O2溶胶的胶凝过程[53]。 本论文选用价格较低、使用较为普遍的钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)作为钛源，选用乙醇为 溶剂，乙醇在钛酸四丁酯的水解反应过程中并不直接参与水解和缩聚反应，但它作为溶剂对体系起着稀释作用，它在Ti(OC4H9)4分子与水分子周围均形成由乙醇分子组成的包覆层， 阻碍反应物分子的碰撞，并在溶胶粒子周围形成“溶剂笼”，从而阻碍了溶胶粒子的生长以及溶胶团簇间的键合，使得干燥后的干凝胶能保持疏松多孔的状态，经焙烧后所得粒子比表面积较大。此外，在制备溶胶的过程中还要加入适量的冰乙酸，冰乙酸在反应过程中可能有两种作用：一是抑制水解，二是使胶体粒子带有正电荷，阻止胶粒凝聚，从而避免干凝胶粒尺寸过大。根据上述机理分析和本实验室前人研究的基础上，确定制备Ti O2溶胶的各物料组分摩尔比为Ti(OC4H9)4:HAc:H2O:Et OH:(NH4)2CO3 =1:2:15:18:X,其中X值变化的范围是0~4，加入碳酸铵的目的是使反应过程中产生气体和微小的固体载体，但又不会对生成的Ti O2造成掺杂等影响，使颗粒分散更均匀，细小。

第二节 二氧化钛光催化影响因素

第二节TiO2光催化影响因素 目前主要针对TiO 2 进行增加表面缺陷结构、减小颗粒大小增大比表面、贵金 属表面沉积、过渡金属离子掺杂、半导体复合、表面光敏化、以及改变TiO 2 形貌和晶型等方法来提高其量子效率以及扩展其光谱响应范围。研制具有高量子产率，能被太阳光谱中的可见光激发的高效半导体光催化剂，探索适合的光催化剂负载技术，是当前解决光催化技术中难题的重点和热点。 表面缺陷结构 通过俘获载流子可以明显压制光生电子与空穴的再结合。在制备胶体和多晶光催化是和制备化学催化剂一样，一般很难制得理想的半导体晶格。在制备过程中，无论是半导体表面还是体内都会出现一些不规则结构，这种不规结构和表面电子态密切相关，可是后者在能量上不同于半导体主体能带上的。这样的电子态就会起到俘获载流子的阱的作用，从而有助于压制电子和空穴的再结合[7]。 颗粒大小与比表面积 研究表明，溶液中催化剂粒子颗粒越小，单位质量的粒子数就越多，体系的比表面积大，越有利于光催化反应在表面进行,因而反应速率和效率也越高。催化剂粒径的尺寸和比表面积的一一对应直接影响着二氧化钛光催化活性的高低。粒径越小，单位质量的粒子数目越多，比表面积也就越大。比表面积的大小是决定反应物的吸附量和活性点多少的重要因素。比表面积越大，吸附反应物的能力就越强，单位面积上的活性点也就越多，发生反应的几率也随之增大，从而提高其光催化活性。当粒子大小与第一激子的德布罗意半径大小相当，即在1-10 nm 时，量子尺寸效应就会变得明显，成为量子化粒子，导带和价带变成分立的能级，能隙变宽，生成光生电子和空穴能量更高，具有更高的氧化、还原能力，而粒径减小，可以减小电子和空穴的复合几率，提到光产率。再者，粒径尺寸的量子化使得光生电子和空穴获得更大的迁移速率，并伴随着比表面积的加大，也有利于提高光催化反应效率。 贵金属沉积的影响 电中性的并相互分开的贵金属的Fermi能级小于TiO 2 的费米（Fermi）能级， 即贵金属内部与TiO 2相应的能级上，电子密度小于TiO 2 导带的电子密度，因此 当两种材料连接在一起时，载流子重新分布，电子就会不断地从TiO 2 向贵金属

二氧化钛作为光催化剂的研究

二氧化钛光催化剂的研究进展1972 年，A.Fujishima 等首次发现在光电池中受辐射的TiO2，表面能持续发生水的氧化还原反应，这一发现揭开了光催化材料研究和应用的序幕。1976 年J.H.Carey 等报道了TiO2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯。S.N.Frank 等也于1977 年用TiO2粉末光催化降解了含CN-的溶液。由此，开始了TiO2光催化技术在环保领域的应用研究，继而引起了污水治理方面的技术革命。近十几年来，随着社会的发展和人们对环境保护的觉醒，纳米级半导体光催化材料的研究引起了国内外物理、化学、材料和环境等领域科学家的广泛关注，成为最活跃的研究领域之一。 TiO2 是一种重要的无机材料，其具有较高的折光系数和稳定的物理化学性能。以TiO2 做光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术越来越受到人们的关注，被广泛地用来光解水、杀菌和制备太阳能敏化电池等。特别是在环境保护方面，TiO2 作为 光催化剂更是展现了广阔的应用前景。但TiO2 的禁带宽度是3.2eV，需要能量大于3.2eV 的紫外光（波长小于380nm）才能使其激发产生光生电子-空穴对，因此对可见光的响应低，导致太阳能利用率低（只利用约3~5%的紫外光部分）。同时光生电子和光生空穴的快速复合大大降低了TiO2 光催化的量子效率，直接影响到TiO2 光催化剂的催化活性。因此，提高光催化剂的量子效率和光催化活性成为光催化研究的核心内容。通过科学工

作者对二氧化钛的物质结构、制备方法、催化性能、催化机理等方面的深入系统的研究，这种快速高效、性能稳定、无毒无害的新型光催化材料在废水处理、有害气体净化、卫生保健、建筑物材料、纺织品、涂料、军事、太阳能贮存与转换以及光化学合成等领域得到了广泛应用。 1 TiO2光催化作用机理 “光催化”从字面意思看，似乎是指反应中光作为催化剂参加反应，然而事实并非如此。光子本身是一种反应物质，在反应过程中被消耗掉了，真正扮演催化剂角色的却是TiO2。因此，“光催化”反应的内涵是指在有光参与的条件下，发生在光催化剂及其表面吸附物（如H2O分子和被分解物等）之间的一种光化学反应和氧化还原过程。其具体的作用机理如下。 从结构上看，TiO2之所以在光照条件下能够进行氧化还原反应，是由于其电子结构为一个满的价带和一个空的导带。当光子能量（hν）达到或超过其带隙能时，电子就可从价带激发到导带，同时在价带产生相应的空穴，即生成电子（e-）、空穴（h+）对。通常情况下，激活态的导带电子和价带空穴会重新复合为中性体（N），产生能量，以光能（hν′）或热能的形式散失掉。 TiO2+hν→e-+h+ （1） e-+h+→N+energy（hν′

纳米二氧化钛在生活中的应用

纳米二氧化钛在生活中的应用 前言 纳米TiO 2 具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好 的发展前景。纳米TiO 2 还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天 工业中、锂电池中。在此仅介绍纳米TIO 2 在光催化触媒生活中的应用。 一、纳米TIO2光催化原理 在日光或灯光中紫外线的作用下使Ti0 2 激活并生成具有高催化活性的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力，可催化、光解附着于物体表面的各种甲醛等有机物及部分无机物。能够起到净化室内空气的功能。 纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧 化钛的电子结构特点为一个满 TiO 2 的价带和一个空的导带 ,在水和空气的体系中 , 纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下 ,当电子能量达到或超过其带隙能时 ,电子就可从价带激发到导带 ,同时在价带产生相应的空穴 ,即生成电子、空穴对 ,在电场的作用下 ,电子与空穴发生分离 ,迁移到粒子表面的不同位置 ,发生一系列反应 : TiO 2 + hν e —— + h H 2 O + h——·OH+ H O 2 +e—— O 2 · O 2·+ H—— HO 2 · 2HO 2· —— O 2 + H 2 O 2 H 2O 2 +O 2 · ——·OH+OH +O 2 吸附溶解在TiO 2 表面的氧俘获电子形成O 2 ·, 生成的超氧化物阴离子自由 基与多数有机物反应(氧化) ,同时能与细菌内的有机物反应 ,生成CO 2和H 2 O;而 空穴则将吸附在TiO 2表面的OH和H 2 O氧化成·OH,·OH 有很强的氧化能力 ,攻 击有机物的不饱和键或抽取H原子产生新自由基 ,激发链式反应 ,最终致使细菌分解。

浅谈二氧化钛讲解

浅谈纳米二氧化钛 纳米二氧化钛(Ti0 2 )是一种重要的无机功能材料，由于其粒子具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等性质；其晶体具有防紫外线、光吸收性好、随角异色效应和光催化等性能；而且它的耐候性、耐用化学腐蚀性和化学稳定性较好，因此纳米二氧化钛被广泛应用于光催化、太阳能电池、有机污染物降解、涂料等领域。但纳米二氧化钛也有一定的局限性，可在纳米二氧化钛中添加合适的物质（如树脂、聚苯胺、偶联剂、氟碳树脂等），对其进行改性。 1. 纳米TiO 2的制备（纳米TiO 2 溶胶） 纳米TiO 2的制备方法一般分为气相法和液相法。由于气相法制备纳米TiO 2 有诸多缺点如:能耗大、成本高、设备复杂等，且条件苛刻,大大限制了其发展。液相法主要包括水解法、沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法、微波感应等离子体法等制备技术。而液相法能耗小、设备简单、成本低,是实验室和工业上广泛使用的制备方法。由于传统的方法不能或难以制备纳米级二氧化钛，而溶胶-凝胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米催化剂，在此仅介绍用溶胶-凝胶法制备纳米TiO 2 溶胶。 溶胶一凝胶法制备纳米TiO 2：是以钛的醇盐Ti(OR) 2 ，(R为-C 2 H 5 、-C 3 H 7 、-C 4 H 9 等烷基)为原料。其主要步骤为：钛醇盐溶于溶剂中形成均相溶液，以保证钛醇盐的水解反应在分子均匀的水平上进行，由于钛醇盐在水中的溶解度不大，一般选用醇(乙醇、丙醇、丁醇等)作为溶剂；钛醇盐与水发生水解反应，同时失去水和失醇缩聚反应，生成物聚集成1nm左右的粒子并形成溶胶；经陈化、溶胶形成三维网络而成凝胶；干燥凝胶以除去残余水分、有机基团和有机溶剂，得到干凝胶；干凝胶研磨后煅烧，除去化学吸附的羟基和烷基团，以及物理吸附的有机溶剂和水，得到纳米TiO 2 粉体。因为钛醇盐的水解活性很高，所以需添加抑制剂来减缓其水解速度，常用的抑制剂有盐酸、醋酸、氨水、硝酸等。但在制备过程中要注意加水方式、水量、pH值、溶剂量、反应温度、拌速度等因素对凝胶形成的影响。

TiO2光催化剂的制备与研究概况

TiO2光催化剂的制备与研究概况 昆明理工大学 摘要：TiO2是目前最受关注的光催化剂之一，本文综述了TiO2光催化原理，制备方法及其作为光催化剂在污水处理、空气净化和抗菌等方面的应用。 关键词：TiO2催化剂制备应用 Preparation and research of TiO2 as photocatalyst Hui fumei （Kunming University of Science and Technology） Abstract：Ti02 is one of the most promising photocatalysts at present．The mechanism and the synthesis of the photocatalytsts，and its application in water treatment，air purification and anti—bacteria were reviewed． Keywords ：TiO2 photocatalysts preparation application 引言TiO2是一种非常优秀的催化剂，以其活性高、热稳定性好、持续时间长、价格便宜所以倍受人们重视。广泛应用在传感器[1]、太阳能电池[2]、锂离子电池[3]、催化剂[4]、颜料[5]、化妆品、过滤陶瓷二氧化钛纳滤膜[6]、吸附等领域。尤其在自然环境日趋恶化、污染十分严重，水资源不断减少的今天，TiO2光催化剂的应用研究具有非常重要的意义。虽然TiO2光催化剂在光催化反应的应用已取得不少成绩。在研究和应用中却依然存在很多问题需要解决。二氧化钛光催化剂的催化活性受到各方面因素的影响：首先TiO2是宽禁带材料，仅能吸收太阳光谱的紫外光部分，通常需要用紫外光源来激发，太阳能利用效率低，这限制了其实际的应用：其次在制备和回收过程中，超细纳米粒子的过滤极为困难；第三纳米粉体在存放过程中容易团聚。都在一定程度上限制TTiO2光催化剂的广泛应用。 1 TiO2光催化原理 锐钛型TiO2，的禁带宽度为3．2 eV，在波长小于400 nm的光照射下，价带电子被激发到导带形成空穴电子对。在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。热力学理论表明，分布在表面的空穴h可以将吸附在TiO2表面的H2O分子氧化成OH·自由基。OH·自由基氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化大部分有机污染物及部分无机污染物，将其最终降解为CO2、H2O等无害物质，而且OH·自由基对反应物几

二氧化钛光催化剂研究进展

二氧化钛光催化剂研究进展 工业催化张春明 摘要：催化是工业生产中追求高效率、高纯度、低耗能的有效手段。纳米TIO2以光催化凭着可以利用可见光进行催化反应而受到催化领域的亲昧，就纳米TIO2光催化剂目前的研究状况展开论述，并列举了TIO2光催化剂应用领域和目前的制备方法。讨论了光催化剂的发展前景，揭示了目前光催化技术对当代化工事业的影响，并对未来的发展发表了预期的倡想。 关键词：二氧化钛光催化剂纳米材料研究进展 前言 通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思，光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。 光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。 目前光催化反应已经在废水处理这一领域逐渐成效。光催化氧化具有很强的氧化能力，在环境污染治 理等方面显示出了巨大的应用潜力，是近年来国内外的一个热点研究领域。由于TiO2半导体光催化具有生物降解所无可比拟的速度快、无选择性、降解完全等优点，又在价廉、无毒、可以长期使用等方面明显优于 传统的化学氧化方法，在环境污染治理方面具有广阔的应用前景。另外最新研究成果显示将TIO2 光催化分子负于磁性，可有效的进行分离回收和再生循环使用。因此，可磁分离的技术的研究成果更为TIO 2 光催剂的应用进展画上了光辉的一笔。 作为高新技术纳米材料。纳米TiO2的制备方法主要分为气相法和液相法，前者包括氢氧火焰水解法、气相氧化法、钛酸盐气相水解法和气相分解法等，后者则包括溶胶一凝胶法、微乳法、水解法、水热合成法 和一步合成法等。尽管气相法制备的TiO2粉体粒度小、纯度高、分散性好，但工艺复杂、成本高且对设备和原料的要求较高。相比而言，液相法制备TiO2的工艺简单、成本低廉、设备投资小，已成为国内研究纳米Ti O2常用的方法。现主要列举有关制备TiO2 光催化剂的研究进展。

二氧化钛综述

纳米二氧化钛综述 摘要：纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，目前已广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、防晒霜、食品包装材料、航天工业等众多领域。在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生中的有广阔的前景使纳米氧化钛进一步成为科学家研 究的焦点。 关键词：污水净化太阳能电池抗紫外线 1.纳米氧化钛可作太阳能电池原料 目前,能源消耗主要来自于化石燃料,由于化石燃料储量有限以及所带来的环境污染问题,人们开始把目光投向环境友好、可再生的能源中,太阳能是未来最有希望的能源之一。而纳米氧化钛是制备太阳能电池的理想材料。 原理光催化反应基本途径当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子(矿)，同时在价带留下空穴(矿)。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH或H2O发生作用生成HO·。HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光

催化反应体系中主要的氧化剂。光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。HO·能与电子给体作用，将之氧化，矿能够与电子受体作用将之还原，同时h+也能够直接与有机物作用将之氧化： 光催化反应的量子效率低(理论上不会超过20%)是其难以实用化的最为关键因素之一。 2.防紫外线功能 纳米氧化钛（T25）既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。 纳米氧化钛的抗紫外线机理： 按照波长的不同,紫外线分为短波区190～280 nm、中波区280～320 nm、长波区320～400nm。短波区紫外线能量最高,但在经过离臭氧层时被阻挡,因此,对人体伤害的一般是中波区和长波区紫外线。 纳米氧化钛（同VK-T25）的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关:当粒径较大时,对紫外线的阻隔是以反射、散射为主,且对中波区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖,属一般的物理防晒,防晒能力较弱;随着粒径的减小,光线能透过纳米二氧化钛的粒子面,对长波区紫外线的反射、散射性不明显,而对中波区紫外线的