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随着近几年(nian)来全(quan)球(qiu)的(de)各种环境(jing)问(wen)题(ti)日(ri)益加重，如何研(yan)究(jiu)(jiu)开发一种环境(jing)友好、清洁(jie)、安全(quan)、可持续发展(zhan)的(de)新型能源技术，是当今研(yan)究(jiu)(jiu)工作者们所面临的(de)最紧迫的(de)挑(tiao)战。纳(na)米材料具备许(xu)多独特的(de)性质(zhi)，这(zhei)些性质(zhi)在环境(jing)治(zhi)理(li)方面也(ye)可以发挥着显著的(de)作用，目(mu)前所利用的(de)最关键(jian)的(de)性质(zhi)之一是纳米材料的光催化(hua)性能，在众(zhong)多的纳米(mi)材料中(zhong)，二氧化(hua)钛凭(ping)借自身优异的(de)性质(zhi)显现出(chu)了极强(qiang)的(de)光催化活性，在环(huan)境治理的(de)众多领(ling)域取(qu)得了显著的(de)成效。

很多人一(yi)听到光催(cui)化可能就觉(jue)得(de)这(zhei)是(shi)一(yi)种(zhong)工业应用技术(shu)，其实它跟我们的(de)生活也息息相关，比如净(jing)化空(kong)气(qi)、净(jing)化饮用水等，都会用到这(zhei)种(zhong)新技术(shu)。

光(guang)催化技术应用

一(yi)、二氧化钛的光催化原理(li)

光催化技(ji)术(shu)是一种新型的高级(ji)氧化技(ji)术(shu)(Advanced oxidation technology)，本质是在催化剂(ji)下所进行的光化学反(fan)应，其(qi)基本原理是当能量光(guang)子(zi)(zi)匹配时，电(dian)子(zi)(zi)受激跃(yue)迁，形(xing)成光(guang)生(sheng)电(dian)子(zi)(zi)-空穴对，在光(guang)照(zhao)下不断地与吸附在催化剂表面的(de)物(wu)质发生(sheng)氧化还原反应(ying)，从(cong)而将光(guang)能转变为化学(xue)能（与水作用(yong)）或达到污染物(wu)的(de)降解(jie)（与有(you)机物(wu)或重(zhong)金属离子(zi)(zi)作用(yong)）。

光催化原理

因此光催化(hua)技术以半导体(ti)材(cai)料为核心(xin)，在众多半导体(ti)材(cai)料中(zhong)，TiO₂的表面积(ji)相对(dui)较大(da)，密度相对(dui)较小，粘附(fu)力(li)较强(qiang)、性(xing)质稳定、熔点高(gao)，抗紫外线能力(li)极强(qiang)，作为光催化(hua)剂具有无毒无害、价(jia)格低廉且光催化(hua)性(xing)能高(gao)等优点，是(shi)解决此类问题最好的环保型金属(shu)半导(dao)体(ti)材(cai)料(liao)。

二氧(yang)化(hua)钛(tai)由低(di)能(neng)价带和高(gao)能(neng)导带构成，其光(guang)催(cui)化(hua)性能(neng)更好的锐钛矿相间(jian)隙为3.2 eV，当入射(she)光子(zi)能量大于等(deng)于3.2 eV时(shi)，半(ban)导体(ti)进行吸收光的动作(zuo)，产生“电子(zi)-空穴对”。吸收光使空穴具有得(de)到电子(zi)的能力，进而(er)形成(cheng)强氧化性，使原(yuan)来没(mei)有(you)被氧化(hua)的物(wu)质被氧化(hua)，将存(cun)在(zai)的各种有(you)机(ji)物(wu)变成无机(ji)无毒小分(fen)子(zi)释放(fang)出去。在(zai)空(kong)穴(xue)具(ju)有(you)氧化(hua)性(xing)的同时，导带电子(zi)具(ju)有(you)还(hai)原(yuan)性(xing)，在(zai)光催(cui)化(hua)反应(ying)过程中，会使存(cun)在(zai)的水和氧气(qi)反应(ying)生成羟基自(zi)由基和超氧化(hua)物(wu)，整个过程不存(cun)在(zai)中间产物(wu)，因此非常绿色环保。

 

二(er)、二(er)氧化钛光催化剂的应用

1.空气(qi)杀菌

现(xian)在，市面上(shang)的约(yue)克(ke)纳米(mi)TiO₂空气杀(sha)菌器，很好地利(li)用了TiO₂光(guang)催化剂的(de)(de)性能(neng)，受(shou)到388 nm以下的(de)(de)紫外光(guang)照(zhao)射时，氧化能(neng)力超过人们熟知的(de)(de)臭氧等，工作(zuo)原理：污(wu)染空气遇到受(shou)光(guang)照(zhao)激发的(de)(de)TiO₂时产生强氧(yang)化性自(zi)由氢氧(yang)基和活性氧(yang)，会迅速反(fan)应，达到(dao)净(jing)化空气的效果，对不同污染(ran)物产生分解作用而非吸附，反(fan)应过程中(zhong)没有二次污染(ran)物产生。

2.净水器

净水器大多通过臭(chou)氧和活性炭(tan)的吸附作用净化水质，在净水过程中很容易(yi)出(chu)现(xian)二次污染(ran)物(wu)。然而，TiO₂光(guang)催化剂在净(jing)水过程中(zhong)可以(yi)将污水中(zhong)的(de)烃类、卤代(dai)烃、酸、表面活(huo)性剂完全(quan)氧(yang)化成二氧(yang)化碳和(he)水等无毒(du)无害物质，特定(ding)(ding)波长的(de)光(guang)照射一定(ding)(ding)厚度的(de)TiO₂薄膜，TiO₂膜(mo)活化后，可提高深(shen)度氧化能力，在(zai)室温下产生超(chao)亲水性，从而净化饮用水中的有毒有害物质。

3.抗菌抑(yi)癌(ai)

利用TiO₂光催(cui)化剂(ji)在(zai)光照条件下形成(cheng)空穴产生的强氧(yang)化性来氧(yang)化细菌外壳的蛋白质，使(shi)其失活死亡，可用于现(xian)代医疗，杀(sha)灭口腔(qiang)中的微生物(wu)，用作农田抗菌剂(ji)抗菌建材(cai)(cai)和抗菌材(cai)(cai)料等。

主要有机(ji)物光催化降解反(fan)应

三、纳米二氧(yang)化钛的制备与改(gai)性

纳(na)米二氧(yang)化(hua)钛(tai)的制备(bei)(bei)主(zhu)要(yao)有三种方法(fa)(fa)：气相法(fa)(fa)、液相法(fa)(fa)和(he)固相法(fa)(fa)。目前制备(bei)(bei)二氧(yang)化(hua)钛(tai)应用(yong)最(zui)广泛的方法(fa)(fa)为(wei)(wei)液相法(fa)(fa)，合成所需(xu)温度(du)低(di)、成本低(di)；固相法(fa)(fa)制备(bei)(bei)操作简单(dan)易行，但得到的材(cai)料品质较为(wei)(wei)粗糙(cao)，对(dui)于要(yao)求高的光催(cui)化(hua)领(ling)域(yu)适用(yong)性(xing)不高；而(er)气相法(fa)(fa)制备(bei)(bei)技术门(men)槛(jian)高，设备(bei)(bei)投入大，目前全球只有赢创德固赛等(deng)少数(shu)几家企业能生(sheng)产气相二氧(yang)化(hua)钛(tai)。

纳米二氧化钛的制备方法

但二氧化钛(tai)虽然性能(neng)优越，作为光(guang)催化剂(ji)光(guang)解污(wu)染(ran)物也(ye)存在着(zhe)许多(duo)缺陷，主(zhu)要的(de)(de)缺点是光(guang)生载流子复合从而使得光(guang)量子的(de)(de)效率降低，且其带隙较宽，影(ying)响(xiang)了(le)光(guang)响(xiang)应的(de)(de)范围。因(yin)此尽可能(neng)的(de)(de)降(jiang)低光生(sheng)电子与空穴对的复合、延长(zhang)载流子的寿(shou)命、使其在可见光区可以(yi)高效地发(fa)挥作用是(shi)接下(xia)来对(dui)于TiO₂光催化剂进(jin)行进(jin)一(yi)步(bu)探索(suo)的关键所在，这就要(yao)对TiO₂进行一(yi)定的改性。

1.离子掺杂

掺杂的离子使TiO₂形成新的缺陷，缩小间(jian)隙，是(shi)抑制光生电子-空穴对复合(he)的重要(yao)方(fang)法。离(li)子掺(chan)(chan)杂又可(ke)分为金属离(li)子掺(chan)(chan)杂以及非金属离(li)子掺(chan)(chan)杂。

（1）金(jin)属离子掺(chan)杂

金属离子掺杂(za)的能级与(yu)纯(chun)TiO₂的能级相互混合，产生了(le)新的能级，除了扩大纯TiO₂光响(xiang)应范(fan)围，还能有效地抑(yi)制光生载流子的复合。例(li)如(ru)掺杂铜离子可以有效提高TiO₂催化还(hai)原CO₂的性能，产生的甲烷是纯TiO₂催化还原(yuan)时的(de)9倍。

铜离子掺杂(za)改性

（2）非金属离(li)子掺杂

非金属(shu)改性主要使用元素(su)(su)周期表第二周期中接(jie)近O的B、C、N、S等元素(su)(su)，掺(chan)杂非金属(shu)元素(su)(su)可(ke)部(bu)分替换TiO₂中的氧原子，发生杂(za)化，进而使(shi)原先能量较低的(de)(de)能级转化成能量较高(gao)的(de)(de)能级，导致价带宽(kuan)化上(shang)移，使(shi)禁(jin)带宽(kuan)度相对减小。

在非金属(shu)掺杂中，受(shou)到广泛关注的是(shi)碳掺(chan)杂，碳掺杂既包括普通的C掺杂，也可以采用石墨、石墨烯、碳纳米管等碳的同素异形体进行掺杂。

2. 复合改性

（1）复合半导(dao)体

半(ban)导体(ti)复(fu)(fu)合是指复(fu)(fu)合其他禁带(dai)宽(kuan)度(du)不(bu)同(tong)的半(ban)导体(ti)，这两种不(bu)同(tong)价带(dai)的半(ban)导体(ti)的光生(sheng)电子与(yu)(yu)空穴之间可以(yi)移(yi)动转移(yi)，从而减少(shao)光生(sheng)电子与(yu)(yu)空穴的复(fu)(fu)合。

（2）复合金属氧化物

将许多金属(shu)氧化物(wu)负载于TiO₂纳米管上制得的改(gai)性二氧(yang)化钛(tai)材(cai)料(liao)可极(ji)好地改(gai)进其原(yuan)始的结构(gou)特征、表面性质(zhi)、催化能力等。

（3）复合生物炭材料

生物炭材料与TiO₂复合会(hui)影(ying)响价带、降低光生电子-空穴(xue)对复合率。这是由于生物炭表面的多种活性官能(neng)团具有(you)超强的吸附性，在(zai)负载TiO₂的同时，由于生物炭与TiO₂的(de)(de)带隙宽度不同，会形成异质结(jie)，使光(guang)(guang)(guang)生电(dian)子更(geng)轻(qing)易地从(cong)能(neng)级高的(de)(de)位(wei)(wei)置迁移至能(neng)级低的(de)(de)位(wei)(wei)置，从(cong)而驱(qu)动光(guang)(guang)(guang)生电(dian)子-空穴对的(de)(de)有效(xiao)分离(li)，降低光(guang)(guang)(guang)生电(dian)子-空穴对的(de)(de)复(fu)合率(lv)(lv)，提高光(guang)(guang)(guang)量子利用(yong)率(lv)(lv)。同时，价带的(de)(de)改变(bian)使光(guang)(guang)(guang)催(cui)化剂响(xiang)应波长范围变(bian)大，对可见(jian)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)利用(yong)率(lv)(lv)大大增加，进而提高了催(cui)化剂的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)催(cui)化性(xing)能(neng)。

3.光敏化

二氧(yang)化(hua)(hua)钛(tai)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)敏(min)化(hua)(hua)是(shi)指二氧(yang)化(hua)(hua)钛(tai)光(guang)(guang)(guang)催化(hua)(hua)剂在(zai)可(ke)见(jian)光(guang)(guang)(guang)下无法进行的(de)(de)反(fan)应，通过(guo)加入光(guang)(guang)(guang)敏(min)剂，就(jiu)可(ke)以使(shi)其在(zai)可(ke)见(jian)光(guang)(guang)(guang)下吸收光(guang)(guang)(guang)、参与(yu)反(fan)应。常(chang)用(yong)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)敏(min)化(hua)(hua)剂为曙红(hong)、叶绿素铜三纳(na)、罗明丹B等有(you)机染料(liao)。卟啉(lin)的(de)(de)衍生物等金属基染料(liao)具有(you)光(guang)(guang)(guang)敏(min)化(hua)(hua)效率高、稳定性好等特点，因此应用(yong)次(ci)数更多。

4.贵金属沉积

贵(gui)金属(shu)沉淀是另一种降低光生(sheng)电子-空穴对复(fu)合率的(de)方(fang)法(fa)。当贵(gui)金属(shu)与TiO₂联结时，光生电(dian)子从(cong)高(gao)费米(mi)能级(ji)的TiO₂端(duan)转(zhuan)移至低费米(mi)能级的(de)金属端(duan)，改(gai)变两端(duan)的(de)电荷数，使TiO₂带的负(fu)电荷减少直至(zhi)消失，因(yin)此，氧吸附(fu)速度加快，光(guang)生(sheng)电子(zi)-空(kong)穴(xue)对(dui)复合率(lv)(lv)降低(di)，提高了催化剂的光(guang)催化性(xing)能(neng)。相比于离(li)子(zi)掺杂，这(zhei)种方法能(neng)更好地提高光(guang)催化效(xiao)率(lv)(lv)，逐渐受到研究者们的关注(zhu)。

表面沉积(ji)贵(gui)金属

总结

近几十年(nian)来，TiO₂的(de)研(yan)究呈几何增长，已成为环境污染治理(li)(li)领域利用(yong)光(guang)(guang)催(cui)化(hua)净化(hua)方(fang)式催(cui)化(hua)降解(jie)污染物最常用(yong)的(de)光(guang)(guang)催(cui)化(hua)剂。但其各种性(xing)能尚未达到预(yu)期，难(nan)以在各个领域得到广泛(fan)应用(yong)。因此(ci)，光(guang)(guang)催(cui)化(hua)剂的(de)下一(yi)步(bu)研(yan)究需要深入探讨光(guang)(guang)催(cui)化(hua)剂作(zuo)用(yong)机理(li)(li)、制备量子(zi)转换效率高且可见光(guang)(guang)响应范围大的(de)新型光(guang)(guang)催(cui)化(hua)剂材料(liao)，让新型光(guang)(guang)催(cui)化(hua)剂得到更广泛(fan)的(de)应用(yong)。

参考来源(yuan)：

1. 纳(na)米二氧化钛及其(qi)改(gai)性在环(huan)境领域的应用进展，王仁君、杨佳琪、魏(wei)庆营、王永乐、刘(liu)彦彦、刘(liu)春辰、丁宁、陈峻(jun)峰(feng)（曲阜(fu)师(shi)范大(da)学(xue)生命科学(xue)学(xue)院）；

2. TiO₂光催化剂研究进(jin)程，张万顺(shun)、曹智颖(ying)、郑佳、栗净净、王超(chao)（衡水学院应(ying)用化学系(xi)）；

3. 前沿科技解读丨走(zou)向美好世界之路(lu)——光催化技术。

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