二氧化鈦納米材料的應(yīng)用

1、5二氧化鈦納米材料的應(yīng)用現(xiàn)有的二氧化鈦納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域包括涂料，牙膏，防紫外線，光催化，光電，傳感，和電致變色以及光色體-這些應(yīng)用領(lǐng)域前景良好。二氧化鈦納米材料通常有電子帶隙，電子伏特大于3.0，在紫外線區(qū)域具有高吸收性。二氧化鈦納米材料性能非常穩(wěn)定、無(wú)毒、價(jià)格便宜。由于其良好的光學(xué)和生物學(xué)性能，可應(yīng)用于紫外線保護(hù)。如果水表面接觸角大于130或小于5，可將表面分別定義為超疏水或超親水表面。各種玻璃制品具有防霧功能，如鏡子，眼鏡，具有超親水或超疏水表面。例如，馮等人發(fā)現(xiàn)可逆超親水性和超疏水性，可來(lái)回切換二氧化鈦納米薄膜。用紫外光照射二氧化鈦納米棒薄膜時(shí)，光生空穴和晶格氧產(chǎn)生反應(yīng)，表面氧空缺。動(dòng)

2、力學(xué)上，水分子與這些氧空缺相協(xié)調(diào)，球形水滴沿納米棒填補(bǔ)了凹槽，并且在二氧化鈦納米棒薄膜上分散，接觸角約為0-這會(huì)導(dǎo)致超親水二氧化鈦薄膜。羥基吸附后，表面轉(zhuǎn)化成大力亞穩(wěn)態(tài)。如薄膜被放置在黑暗中，被吸附羥基逐漸取代了大氣中的氧氣，表面回到原始狀態(tài)。表面潤(rùn)濕度由超親水轉(zhuǎn)換成超疏水。由于超親水或超疏水表面，許多不同類型的表面具有防污、自潔性能。電氣或光學(xué)性質(zhì)隨吸附而產(chǎn)生變化，二氧化鈦納米材料也可用來(lái)作為各種氣體和濕度傳感器。就未來(lái)的清潔能源應(yīng)用而言，最重要的研究領(lǐng)域之一，是尋找高效電力和/或氫氣材料。如二氧化鈦和有機(jī)染料或無(wú)機(jī)窄禁帶半導(dǎo)體敏化，二氧化鈦能吸收光，形成可見(jiàn)光區(qū)域，并將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，應(yīng)

3、用于太陽(yáng)能電池。Gratzel領(lǐng)導(dǎo)的小組，運(yùn)用染料敏化太陽(yáng)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將所有太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電流，轉(zhuǎn)換效率物10.6電流。人們廣泛研究了二氧化鈦納米材料用于水分解和制氫，這是因?yàn)橛谒趸€原時(shí)，其具有合適的電子能帶結(jié)構(gòu)。二氧化鈦納米材料另外應(yīng)用-二氧化鈦納米材料與染料或金屬納米粒子敏化時(shí)，形成光致變色。當(dāng)然，二氧化鈦納米材料的眾多應(yīng)用之一是光催化分解各種污染物。5.1光催化應(yīng)用二氧化鈦被認(rèn)為是最有效的、無(wú)害環(huán)境的光催化劑，廣泛用于各種污染物的降解。二氧化鈦光催化劑還可以用來(lái)殺死細(xì)菌，可處理大腸桿菌懸液。發(fā)亮的二氧化鈦具有強(qiáng)氧化力，癌癥治療中，可用于殺死腫瘤細(xì)胞。人們廣泛研究了光催化反應(yīng)機(jī)制。半導(dǎo)

4、體的光催化反應(yīng)原理非常簡(jiǎn)單。吸收的光子能量大于二氧化鈦帶隙，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子空穴對(duì)。一些電荷載體遷移到表面，并和吸附到表面的化學(xué)品發(fā)生反應(yīng)，分解這些化學(xué)品。這種光解過(guò)程通常涉及一個(gè)或更多的自由基或中間物質(zhì)。比如OH,O2,H2O2，和O2-它們?cè)诠獯呋磻?yīng)機(jī)制中扮演重要角色。半導(dǎo)體光催化活性主要取決于-（i）光吸收性能，例如，光吸收光譜和系數(shù)。（ii）電子和空穴決定表面還原和氧化率。（iii）電子空穴復(fù)合率。一個(gè)較大面積的表面，具有恒定的吸附劑表面密度，會(huì)使光催化反應(yīng)速度更快。在這個(gè)意義上說(shuō)，表面面積越大，光催化活性越高。另一方面，表面具有缺陷，因此，表面面積越大，重組的速度就越

5、快。結(jié)晶度越高，大面積缺陷就越少，光催化活性越高。高溫治療上通常提高了二氧化鈦納米材料，這反過(guò)來(lái)又可以促使小顆粒聚集和降低表面積的結(jié)晶。從上述一般結(jié)論來(lái)看，物理特性和光催化活動(dòng)的關(guān)系是復(fù)雜的?？紤]相關(guān)因素，尋求最佳的條件，這可能因個(gè)案而異。5.1.1第一代純二氧化鈦納米材料二氧化鈦顆粒尺寸減小時(shí)，表面微粒隨表面積和體積比增大而增加，這可以進(jìn)一步提高催化劑活性。納米顆粒尺寸減小，帶隙能量增加，這有可能提高價(jià)帶洞的氧化還原，并有可能提高導(dǎo)帶電子的氧化還原，這會(huì)允許產(chǎn)生光氧化還原反應(yīng)。此反應(yīng)不可能在大量材料中進(jìn)行，除非另有說(shuō)明。二氧化鈦納米粒子的一個(gè)缺點(diǎn)為，它們只能用一小部分陽(yáng)光進(jìn)行光催化。實(shí)際上，

6、存在著為特定光催化反應(yīng)的最佳尺寸。王等人研究了二氧化鈦納米材料加氫反應(yīng)，即CH3CCH和H2O反應(yīng)，他們發(fā)現(xiàn)了：二氧化鈦粒子的直徑減小，光催化活性就提高，尤其是小于10納米的二氧化鈦粒子。他們建議，對(duì)粒子尺寸收益率的依賴，是由于化學(xué)反應(yīng)活性的差異，而不是由于催化劑的物理性質(zhì)。王等人發(fā)現(xiàn)了二氧化鈦納米材料的最佳尺寸，用于分解氯仿的最大光催化效率。他們觀察到了：粒徑從21下降到11納米時(shí)，光催化活性就提高了。他們得出了結(jié)論，對(duì)于一些特別反應(yīng)，最佳顆粒尺寸約為10納米。大尺寸二氧化鈦納米粒子中，電荷載體的大部分重組是主要的過(guò)程，可以通過(guò)減小顆粒尺寸而減少電荷載體重組。當(dāng)顆粒尺寸降低到某一限額時(shí)，表面

7、重組過(guò)程占主導(dǎo)地位，這由于產(chǎn)生了電子和空穴，并且接近于表面，表面重組超過(guò)了界面電荷載體轉(zhuǎn)移過(guò)程。蔡等人研究了四種尺寸的二氧化鈦納米粒子光催化活性，用于分解2-異丙醇。他們發(fā)現(xiàn)了，7納米微粒的光催化活性1.6倍于P25型二氧化鈦。5-30納米粒子具有較低的光催化效率。經(jīng)證明，在適當(dāng)條件下，介孔二氧化鈦，二氧化鈦納米棒，納米管，具有很高的光催化性能。彭等人準(zhǔn)備了介孔二氧化鈦，其表面積較大，在氧化羅丹明B上，介孔二氧化鈦顯示了良好的光催化活性，這由于其表面積大、晶粒尺寸小、銳鈦礦結(jié)晶介觀結(jié)構(gòu)良好。圖60顯示了試樣中孔二氧化鈦的光催化性能，在不同溫度下，準(zhǔn)備和煅燒了這些試樣，并將它們和P25TiO2性

8、能作了比較。所有的介孔二氧化鈦均優(yōu)于DeguessaP25二氧化鈦的光催化性能。將試樣在400C下焙燒，可得到最佳反應(yīng)。焙燒溫度的進(jìn)一步增加，光催化性能逐步降低。楊等人發(fā)現(xiàn)了，二氧化鈦納米管用硫酸液處理，對(duì)酸性橙光II的降解催化活性，按以下順序排列：二氧化鈦納米管和1.0mol/L硫酸溶液反應(yīng)二氧化鈦納米管和0.2mol/L硫酸溶液反應(yīng)未經(jīng)處理二氧化鈦納米管二氧化鈦納米顆粒,這是因?yàn)槎趸伡{米管經(jīng)硫酸處理后，由更小的粒子組成，具有較高的比表面積。二氧化鈦氣凝膠被認(rèn)為有前途的光催化劑。德根等人制備了二氧化鈦氣凝膠，其具有90%的孔隙率和600平方米/克的表面積。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紫外線照射近1小時(shí)后

9、，二氧化鈦氣凝膠水楊酸光催化降解，以10倍速度快于Deguessa二氧化鈦光催化降解。圖61顯示了退火前后氣凝膠光降解，并將它們和商用DeguessaP25作了比較。5.1.2。摻雜了金屬的二氧化鈦納米材料：第二代在過(guò)去的十年里，在可見(jiàn)光照射條件下，摻雜了金屬的二氧化鈦納米材料已被廣泛研究，以提高各種有機(jī)污染物光催化降解性能。崔等人進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于“摻雜21種過(guò)渡金屬元素的二氧化鈦納米顆粒光催化氯仿氧化物和四氯化碳降解”的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)光催化活性與摻雜離子的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，因?yàn)閹в蟹忾]電子層的摻雜離子，對(duì)光催化活性很少或沒(méi)有影響。摻雜了0.1%-0.5%的Fe3，Mo5,Ru3Os3,Re5,V4

10、,和Rh3,光催化活性顯著增加，而摻雜了Co3和A13，光催化活性會(huì)降低。金屬離子摻雜在二氧化鈦基體中，會(huì)明顯影響電荷載體復(fù)合率和界面電子轉(zhuǎn)移率。具有摻雜物的二氧化鈦的光化作用似乎具有一個(gè)復(fù)雜摻雜濃度功能，即具有二氧化鈦晶格摻雜能級(jí)，D電子結(jié)構(gòu)，摻雜分布，電子供體的濃度，光強(qiáng)度。用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制備的摻雜錫離子二氧化鈦納米粒子薄膜，顯示了較高的光催化降解苯酚性能，而在紫外線和可見(jiàn)光照射下，純二氧化鈦和錫離子摻雜物，對(duì)光載體分離與可見(jiàn)光激發(fā)有好處。圖62顯示了，在紫外線和可見(jiàn)光下，光催化降解苯酚及其反應(yīng)時(shí)間。其中摻雜了錫的二氧化鈦納米粒子作為光催化劑。與造紙廢水處理的二氧化鈦相比，

11、鐵摻雜納米二氧化鈦顯示了較高的光催化活性，其中鐵含量較低（最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05）。與純二氧化鈦相比，在光電消毒大腸桿菌中，鐵摻雜納米二氧化鈦具有較高的光催化活性?？梢?jiàn)光照射下，磯型摻雜TiO2光催化劑催化氧化乙醇。紫外線照射下，純二氧化鈦具有同樣的光催化活性。PT4+離子摻雜二氧化鈦納米粒子表現(xiàn)出較高的光催化降解二氯乙酸性能和降解4氯苯酚性能；銀-二氧化鈦（AgTiO2）納米催化劑表現(xiàn)出較高的光催化降解2,4,6三氯酚性能，由于較好的分離光生載流子，改善氧還原，誘導(dǎo)原子降解程度更高。在可見(jiàn)光下，魏等人合成了鑭、氮共摻二氧化鈦納米粒子，其具有優(yōu)越的催化活性，其中氮摻雜用來(lái)縮小二氧化鈦帶隙，鑭用來(lái)

12、阻止納米粒子聚集。張等人宣布鉻和氮共摻二氧化鈦納米粒子，可以吸附可見(jiàn)光，這通常導(dǎo)致亞甲基藍(lán)脫色光催化效能降低，除了氮摻雜濃度較低時(shí)。Bessekhouad等發(fā)現(xiàn)低濃度的堿（鋰，鈉，鉀）摻雜的二氧化鈦納米粒子，是降解有機(jī)污染物的有希望的材料。彭等人發(fā)現(xiàn)，鈹摻雜的二氧化鈦納米粒子，當(dāng)其摻雜離子在淺層表面時(shí)，摻雜物有益于光催化活性，當(dāng)其摻雜離子在深層面時(shí)，摻雜物對(duì)光催化活性有害。然而，并非所有金屬摻雜二氧化鈦納米材料表現(xiàn)出比純二氧化鈦納米材料光催化活性高。馬丁發(fā)現(xiàn)，與純二氧化鈦納米粒子相比，釩摻雜二氧化鈦納米粒子表現(xiàn)出較低的光氧化催化氯苯酚。在攝氧量中心，電荷載體與電子陷阱重組，或在V4+雜質(zhì)中心，

13、電荷載體與空穴陷阱重組。赫爾曼等人發(fā)現(xiàn)，在可見(jiàn)光區(qū)域，鉻摻雜二氧化鈦較少，草酸、丙烯氧化以及異丙醇和O同位素交換為零，條件為在可見(jiàn)光照射下；與純二氧化鈦相比，在紫外線照射下，草酸、丙烯氧化以及異丙醇和O同位素交換較小。這由于在三價(jià)鉻離子位置，電子空穴復(fù)合增加了。羅等人報(bào)告說(shuō)，二氧化鈦，分別摻雜了1.5mol%鉬，1mol%的釩加1mol%的鋁，或0.1mol%釩加1mol%1mol%，其光催化活性下降，這由于鉬和釩的d電子，作為二氧化鈦主要載體，可以有效地?fù)錅绺吣芰康墓馍昭?，光生空穴在雜質(zhì)中，二氧化鈦帶隙中的摻雜物攜帶那些雜質(zhì)。5.1.3。非金屬摻雜的二氧化鈦納米材料：第三代非金屬摻雜TiO

14、2納米材料已被視為第三代光催化劑。廣泛研究了各種非金屬摻雜TiO2納米材料的可見(jiàn)光光催化活性。與純TiO2納米材料相比，非金屬摻雜TiO2納米材料已被證明能改善光催化活性，尤其是在可見(jiàn)光區(qū)域。圖63顯示了用氮摻雜二氧化鈦分解亞甲基藍(lán)，此實(shí)驗(yàn)由Asahi和他的同事進(jìn)行操作。結(jié)果表明，在可見(jiàn)光區(qū)域，與純TiO2相比，氮摻雜二氧化鈦具有更好的光催化活性；但紫外線下，氮摻雜二氧化鈦顯示較低的光催化活性。氮濃度依附于氮摻雜二氧化鈦光催化活性，氮濃度在可見(jiàn)光區(qū)域，可見(jiàn)光下，氮光催化活性部位等同于X射線光電子能譜B-N狀態(tài)”其高峰期在396伏特。Iris和其同事研究中，發(fā)現(xiàn)濃度取決于氮摻雜二氧化鈦光催化活性

15、，原因是，低氮濃度（V2%）的氮摻雜二氧化鈦的帶結(jié)構(gòu)，不同于高氮濃度的氮摻雜二氧化鈦的帶結(jié)構(gòu),據(jù)發(fā)現(xiàn)，氮摻雜二氧化鈦光催化活性大幅增加，這由于-置換摻雜物過(guò)程中，O-Ti-N鍵形成作為氮氧化物。可見(jiàn)光照射下，通過(guò)氮摻雜二氧化鈦，有機(jī)物光催化氧化，這主要是通過(guò)水氧化的中間體，或通過(guò)氧氣還原的中間體,而不是與空穴氮直接反應(yīng).可見(jiàn)光照射時(shí)，將氣態(tài)丙酮分解成丙酮和二氧化碳時(shí),氮摻雜二氧化鈦納米管也展現(xiàn)出較高的光催化氧化活性.也研究了硫摻雜二氧化鈦的光催化活性.在可見(jiàn)光區(qū)域，硫摻雜二氧化鈦顯示較高的光催化活性,但在紫外線區(qū)域,其光催化活性較低。在可見(jiàn)光區(qū)域,，用不同方法制備的硫摻雜二氧化鈦顯示出不同的光催化活性，這由于這些樣品具有不同的載體表現(xiàn)。在可見(jiàn)光區(qū)域，碳摻雜二氧化鈦?zhàn)C明了顯著的分解亞甲基藍(lán)和異丙醇光催化活性。碳摻雜二氧化鈦由TIC前體組成。與純TiO2相比，碳