納米二氧化鈦光催化材料及其應用

1、A.1972A.1972年年FujishimaFujishima和和HondaHonda在在n-n-型半導體型半導體TiOTiO2 2電極上發(fā)現了水電極上發(fā)現了水 的光催化分解作用，揭開了光催化技術研究的序幕。的光催化分解作用，揭開了光催化技術研究的序幕。B.1976B.1976年年GareyGarey用用h Eg+-Conduction bandAadsAreducedAband gapValence bandDadsDDoxidizedsemiconductor particleOverall reaction: D+Ah PCDoxidized +Areduced 當半導體粒徑小于某一納

2、米尺寸時，導帶和價帶間的能隙變寬，光當半導體粒徑小于某一納米尺寸時，導帶和價帶間的能隙變寬，光生電子和空穴的能量增加，氧化還原能力增強生電子和空穴的能量增加，氧化還原能力增強 隨著粒子尺寸減小到納米級，光催化劑的比表面積大大增加，對底隨著粒子尺寸減小到納米級，光催化劑的比表面積大大增加，對底物的吸附能力增強物的吸附能力增強 粒徑越小，光生電子從晶體內擴散到表面的時間越短，電子和空穴粒徑越小，光生電子從晶體內擴散到表面的時間越短，電子和空穴的復合幾率減小，光催化效率提高的復合幾率減小，光催化效率提高 光催化活性高（吸收紫外光性能強；禁帶和導帶光催化活性高（吸收紫外光性能強；禁帶和導帶之間的能隙大

3、，光生電子和空穴的還原性和氧化之間的能隙大，光生電子和空穴的還原性和氧化性強）性強） 化學性質穩(wěn)定化學性質穩(wěn)定( (耐酸堿和光化學腐蝕耐酸堿和光化學腐蝕),),對生物無對生物無毒毒 在可見光區(qū)無吸收，可制成白色塊料或透明薄膜在可見光區(qū)無吸收，可制成白色塊料或透明薄膜 原料來源豐富原料來源豐富納米納米TiO2TiO2是當前最有應用潛力的光催化劑是當前最有應用潛力的光催化劑形態(tài)形態(tài)相對密度相對密度晶格類型晶格類型晶格常數晶格常數Ti-O距離距離/nm禁帶寬度禁帶寬度/eVac銳鈦礦銳鈦礦3.84正方晶系正方晶系 5.279.370.1953.2金紅石金紅石4.22正方晶系正方晶系 9.055.80

4、.1993板鈦礦板鈦礦4.13斜方晶系斜方晶系CB/CB/e e- - VB/VB/h h+ + CB/CB/e e- - VB/VB/h h+ + 3.2eV3.0eV0.2eV0.2eV銳鈦礦相銳鈦礦相金紅石相金紅石相制備方法制備方法優(yōu)點優(yōu)點不足不足溶膠溶膠-凝膠法凝膠法（sol-gel） 粒徑小，分布窄，晶型為銳鈦礦粒徑小，分布窄，晶型為銳鈦礦型，純度高，熱穩(wěn)定性好型，純度高，熱穩(wěn)定性好前驅體為鈦醇鹽，成前驅體為鈦醇鹽，成本高本高水熱合成法水熱合成法晶粒完整，粒徑小，分布均勻，晶粒完整，粒徑小，分布均勻，原料要求不高，成本相對較低原料要求不高，成本相對較低反應條件為高溫、高反應條件為高溫

5、、高壓，壓，材質要求高材質要求高化學氣相沉積法化學氣相沉積法（CVD） 粒徑小，分散性好，分布窄，化粒徑小，分散性好，分布窄，化學活性高，學活性高，可連續(xù)生產可連續(xù)生產 技術和材質要求高，技術和材質要求高，工藝復雜，投資大工藝復雜，投資大 微乳液法微乳液法可有效控制可有效控制TiO2納米粉末的尺寸納米粉末的尺寸易團聚易團聚 環(huán)保方面的應用環(huán)保方面的應用 衛(wèi)生保健方面的應用衛(wèi)生保健方面的應用 防結霧和自清潔涂層防結霧和自清潔涂層 光催化化學合成光催化化學合成 有機污染物的處理有機污染物的處理 無機污染物的處理無機污染物的處理 1. 光催化能夠解決光催化能夠解決Cr6+、Hg2+、Pb2+等重等重

6、金屬子的污染問題金屬子的污染問題 2. 光催化還可分解轉化其它無機污染物，如光催化還可分解轉化其它無機污染物，如CN-、NO2-、H2S、 SO2, NOx等等 室內環(huán)境凈化室內環(huán)境凈化 有有機機物物 催催化化劑劑 光光源源 光光解解產產物物 烴烴 TiO2 紫紫外外 CO2 ，H2O 鹵鹵代代烴烴 TiO2 紫紫外外 HCl，CO2，H2O 羧羧酸酸 TiO2 紫紫外外，氙氙燈燈 CO，H2，烷烷烴烴，醇醇，酮酮，酸酸 表表面面活活性性劑劑 TiO2 日日光光燈燈 CO2，SO32- 染染料料 TiO2 紫紫外外 CO2，H2O，無無機機離離子子，中中間間物物 含含氮氮有有機機物物 TiO2

7、 紫紫外外 CO32-，NO32-，NH4+，PO43-，F- 等等 有有機機磷磷殺殺蟲蟲劑劑 TiO2 紫紫外外，太太陽陽光光 Cl-，PO43-，CO2 測試條件測試條件氣體濃度氣體濃度放入涂料板前放入涂料板前放入涂料板后放入涂料板后一天一天兩天兩天五天五天七天七天去除效率去除效率（%）氨氣（氨氣（mg/m3)1.931.930.600.600.320.320.220.220.180.189191甲醛（甲醛（mg/m3)0.900.900.430.430.210.210.130.130.070.079292苯（苯（mg/m3)0.860.860.640.640.250.250.150.15

8、0.050.059494 滅殺細菌和病毒滅殺細菌和病毒 使某些致癌細胞失活使某些致癌細胞失活TiOTiO2 2薄膜薄膜有機污垢有機污垢無機污垢無機污垢CO2 H2O 有機合成有機合成 光催化不僅可分解破壞有機物，在適當條件下還能用光催化不僅可分解破壞有機物，在適當條件下還能用來合成一些有機物。如在非水溶劑中，苯乙烯光催化聚合來合成一些有機物。如在非水溶劑中，苯乙烯光催化聚合生成聚苯乙烯生成聚苯乙烯 無機反應無機反應 h h PCPC光致電子和空穴對的轉移速度慢，復合率高，導致光光致電子和空穴對的轉移速度慢，復合率高，導致光 催化量子效率低催化量子效率低只能用紫外光活化，太陽光利用率低只能用紫外光活化，太陽光利用率低粉末狀粉末狀TiOTiO2 2在使用過程中存在分離、回收困難等問題在使用過程中存在分離、回收困難等問題Pte-h+h Eg AAreducedDDoxidized 20012001年年AsahiAsahi等日本學者報道了等日本學者報道了氮摻雜的氮摻雜的TiO2 ,TiO2 ,引起人們對陰離引起人們對陰離子摻雜光催化劑及其可見光響應子摻雜光催化劑及其可見光響應性能的廣泛興趣。性能的廣泛興趣。過渡金屬離子的摻雜會在過渡金屬離子的摻雜會在半導體晶格中半導體晶格中引入能捕獲光致引入能捕獲光致電子和空穴的缺陷；或改變結晶度，使激發(fā)光的波長紅移電子和空穴的缺陷；或改