TiO2光催化的光能轉(zhuǎn)換課件

TiO2光催化的光能轉(zhuǎn)換PhotoenergyconversionwithTiO2photocatalysis:NewmaterialsandrecentApplications第十一組摘要綜述最近二氧化鈦光催化的方法，包括新材料及應(yīng)用。TiO2光催化在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，因此其新材料及應(yīng)用希望能得到推廣。在本文中，我們對(duì)二氧化鈦光催化的歷史以及其基本機(jī)制做出了簡(jiǎn)要的介紹。重點(diǎn)是講述新型二氧化鈦納米纖維和碳納米管的制備和二氧化鈦光催化在水，空氣的凈化和印刷等方面的應(yīng)用。目錄：1.簡(jiǎn)介2.光催化基礎(chǔ)3.新型二氧化鈦材料3.1.靜電二氧化鈦纖維3.2.陽(yáng)極二氧化鈦納米管4.二氧化鈦光催化的應(yīng)用4.1.凈化環(huán)境4.2.印刷5.總結(jié)Oxidation氧化反應(yīng)superhydrophilicity親水Road:Tunnellighting隧道照明Soundinsulation隔音RemovalofNOx去除NOxElectricappliance電器:Refrigerator電冰箱fluorescent熒光燈Car:sidemirror側(cè)視鏡Printing:打印：Offsetprinting膠版印刷Residence住宅(exterior外觀):painting涂料tile瓷磚glass玻璃tent帳篷Agriculture農(nóng)業(yè):removalofresidualpesticides去除殘留農(nóng)藥deodorization除臭hydroponicculture水培Waterpurification水的凈化:removalofhazardoussubstances去除有害物質(zhì)disinfection消毒Medical醫(yī)學(xué):cancercare癌癥護(hù)理catheter導(dǎo)管operatingroom手術(shù)室Airpurification空氣凈化器:deodorizing除臭removalofairpollution空氣清潔Residence住所(interior室內(nèi)):curtain窗簾wallpaper墻紙

自從1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)二氧化鈦光催化分解水以來(lái)，光催化領(lǐng)域有了很大發(fā)展。

圖3（a）紫外線照射前的疏水表面。

（b）高度紫外線照射下形成的親水表面。

（c）暴露在水蒸汽中的疏水二氧化鈦鍍膜玻璃。（小水滴）霧的形成阻擋了放在玻璃后面的紙張上的文字。

（d）建立一個(gè)紫外線照射時(shí)可以防霧的表面。高親水性表面可以防止水滴的形成，使文字清晰可見1995年，F(xiàn)ujishima和同事發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦的表面用紫外線光照后，其水潤(rùn)濕性有顯著變化，（圖3）。在TiO2表面最初表現(xiàn)出的幾十度的潤(rùn)濕角由表面粗糙度和其他條件而定。當(dāng)這種表面被暴露在紫外線照射下時(shí)，水潤(rùn)濕角減少，也就是說(shuō)，它往往在TiO2表面?zhèn)鞑ァＷ詈?，?rùn)濕角幾乎達(dá)到0?。在這個(gè)階段，表面是不防水的，被稱為超親水性。超親水性可用于生產(chǎn)防霧鏡和玻璃。此外，超親水性和氧化性能的組合可以使二氧化鈦表面在陽(yáng)光下很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都保持清潔。這種能力被稱為“自潔作用”，并已被應(yīng)用到墻壁和窗戶上。與光催化有關(guān)的許多產(chǎn)品已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)，用于很多領(lǐng)域，包括住房，家電，鐵路，公路，農(nóng)業(yè)，水處理，衣服，生活用品，醫(yī)藥等。在這些催化劑中，二氧化鈦被研究得最廣泛，并在許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的氧化能力，超親水性，化學(xué)穩(wěn)定性好，無(wú)毒，價(jià)格低廉，而且在可見光下透明。然而在實(shí)際應(yīng)用中，仍需要較高的光催化性能。因此，在二氧化鈦的基礎(chǔ)上進(jìn)行新材料的開發(fā)，表明對(duì)于光催化劑，較高的光催化性能，及其新的應(yīng)用，仍是我們研究的目標(biāo)。表現(xiàn)出較高的光催化性能的二氧化鈦，該催化劑的新應(yīng)用為基礎(chǔ)的新材料的發(fā)展仍然是研究的目標(biāo)。在這篇綜述中，我們從新材料及其應(yīng)用兩方面的觀點(diǎn)，總結(jié)了二氧化鈦光催化領(lǐng)域的最新的研究成果。TiO2光催化的基本機(jī)制如下：紫外線照射引起的電子-空穴對(duì)的形成，這些電子-空穴對(duì)攜帶載流子與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，例如分別與空氣中的水分子和氧分子反應(yīng)生成羥基自由基（?OH）和超氧陰離子自由基（O2-），這導(dǎo)致在TiO2表面的有機(jī)分子的分解（圖4）。這些氧化過(guò)程，可用于環(huán)境清潔的空氣和水凈化。此外，在紫外線照射下二氧化鈦的表面具有非常好的親水性（圖5）。該機(jī)制包括在氧晶格中誘捕大量二氧化鈦時(shí)產(chǎn)生光生空穴。被困的空穴可能打破鈦點(diǎn)陣坐標(biāo)中晶格鈦和氧離子以及水分子之間的鍵。水分子釋放一個(gè)電荷補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)子，然后形成一個(gè)新的OH基團(tuán)，使表面的OH基團(tuán)的數(shù)量增加。這些配位的新的OH基團(tuán)具有很高的表面能，可以使材料表面具有高度親水性。3.新型二氧化鈦材料Fig.6.靜電反應(yīng)示意圖。

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制備一維納米二氧化鈦有好幾種方法。其中，靜電紡絲法是一個(gè)通過(guò)使用高電場(chǎng)生產(chǎn)納米纖維（圖6)的簡(jiǎn)單，淺顯的和有效的方法。其最終纖維的形貌和性能可以根據(jù)工藝參數(shù)，包括溶液的濃度，分子量的聚合物，溶劑，應(yīng)用電場(chǎng)強(qiáng)度和沉積距離來(lái)選擇;這種良好的可控性在納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中被認(rèn)為是一種優(yōu)勢(shì)。這種靜電纖維具有獨(dú)特地形貌特征，例如，由于低阻力而導(dǎo)致質(zhì)量傳輸以及具有大的比表面積的開放式結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)將導(dǎo)致其有不同的應(yīng)用。靜電紡絲法還可以用于制備由化學(xué)反應(yīng)獲得的金屬納米粒子摻雜聚合物，比如將金屬鹽轉(zhuǎn)化為金屬微粒。此外，無(wú)機(jī)纖維，也可以由無(wú)機(jī)前驅(qū)體熱分解來(lái)制備。李等人對(duì)含有聚合物（聚乙烯基吡咯烷酮）和鈦酸四異丙酯的乙醇溶液用靜電法制得生成物，隨后對(duì)其進(jìn)行煅燒從而制備出TiO2纖維。產(chǎn)生的纖維在焙燒前含有無(wú)定形二氧化鈦和PVP（聚乙烯基吡咯烷酮），而且隨后在500?C的空氣中焙燒轉(zhuǎn)換為銳鈦礦相時(shí)不改變其形貌。二氧化鈦纖維的平均直徑為20-200納米，這可以通過(guò)改變不同的參數(shù)，如PVP和鈦酸四異丙酯的比例及其濃度，電場(chǎng)強(qiáng)度，前驅(qū)體溶液的加料速率來(lái)控制。

Alves等人研究報(bào)道出電紡二氧化鈦纖維對(duì)亞甲基藍(lán)進(jìn)行脫色作用時(shí)的光催化性能。研究表明其高效的光催化脫色作用是由于它較大的比表面積比和靜電纖維開放的三維結(jié)構(gòu)。圖7二氧化鈦納米纖維的SEM圖像圖8按照下列順序進(jìn)行焙燒及紫外線和可見光光照射后，銀-二氧化鈦納米纖維的紫外和可見光譜：煅燒--紫外線--可見光--紫外線--可見光--紫外線--可見光。插圖顯示了它在上述照射條件下，在480nm處的吸收能力

目前我們正在努力提高二氧化鈦的光催化性能，但是它只有在僅占太陽(yáng)光譜得3％的紫外光下（<400毫微米）才有催化性。因此，我們迫切需要發(fā)展可以被約占的太陽(yáng)光的能量的42％的可見光所驅(qū)動(dòng)的高效光催化劑。TiO2–WO3的復(fù)合材料由于WO3的窄帶隙的融合以及在TiO2和WO3的界面處的電荷分離而被證明是可以被可見光驅(qū)動(dòng)的高效光催化材料，因?yàn)閺?fù)合材料和微/納米結(jié)構(gòu)材料的組合可以提高光催化性能。二氧化鈦共軛高分子復(fù)合材料是光催化性能改進(jìn)的混合材料的新型材料，因此，科學(xué)家們對(duì)這種新型材料已經(jīng)有了相當(dāng)高的關(guān)注度。在典型的共軛聚合物中，聚苯胺（PANI）是一個(gè)很好的選擇。這些復(fù)合光催化劑在紫外光的照射下降解MO時(shí)比純的TiO2納米纖維具有較高的催化活性，這是由于TiO2和聚苯胺的界面處有電荷分離現(xiàn)象。由此可見，光催化性能改進(jìn)了的以TiO2為基礎(chǔ)的新型復(fù)合材料具有更廣泛的應(yīng)用。

提高光催化性能另一種方法是增加TiO2纖維的表面積。趙等人報(bào)道了一個(gè)有趣的材料，他們準(zhǔn)備多渠道，多渠道的噴嘴可以改變的，從零到三個(gè)通道（圖9）靜電中空二氧化鈦纖維。由于渠道的數(shù)量提高了光催化性能也隨之上升，因?yàn)樘厥獾亩嗤ǖ澜Y(jié)構(gòu)，不僅增加其比表面積，但也促進(jìn)了多次反射入射光，這也增強(qiáng)了中空纖維膜的光催化活性。

3.2陽(yáng)極氧化TiO2納米管陽(yáng)極氧化TiO2納米管陣列可以制作恒電位陽(yáng)極鈦箔。這種陣列具有比表面積大，直通道，使化合物擴(kuò)散到TiO2納米管，并表現(xiàn)出與壽命有關(guān)的為電荷轉(zhuǎn)移而減少結(jié)合出現(xiàn)的的電滲流通道。因?yàn)橐话氲奶技{米管壁的厚度明顯比在二氧化鈦的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度短，所以結(jié)合較少。因此二氧化鈦納米管陣列比非結(jié)構(gòu)化二氧化鈦表現(xiàn)出較高的有機(jī)物降解的光催化活性的潛力。

二氧化鈦納米管陣列通常是準(zhǔn)備在高頻為主的電解質(zhì)恒定的外加電壓下。TiO2納米管的形貌，可以根據(jù)電解質(zhì)濃度選擇施加電壓，陽(yáng)極氧化時(shí)間而定制。其形態(tài)，尤其是納米管長(zhǎng)度，應(yīng)該影響二納米管陣列光催化性能。當(dāng)增加碳納米管長(zhǎng)度，其表面積增大，從而提高其光催化性能。

提高光催化性能的另一種方法是與非金屬原子或陰離子進(jìn)行表面改性。例如，趙等報(bào)道，與磷酸二氧化鈦粉末的表面改性，提高了光催化性能。這樣的表面改性應(yīng)增加電子-空穴的分離，從而影響光催化性能。Nakata等人通過(guò)在含HF和磷酸的混合電解液中用改性磷酸鹽用陽(yáng)極氧化法制備納米管tio2。二氧化鈦納米管的形貌（長(zhǎng)度，直徑，壁厚）在含磷酸的情況下改變。在HF/H3PO4混合電解質(zhì)制備的碳納米管比在純HF中制備出納米管表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。在HF/H3PO4混合電解質(zhì)中制備的樣品表面的上存在的磷酸根離子，而且樣品結(jié)晶度越高，可以提高他們的光催化性能。

4.2.印刷TiO2光催化的一個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用是在膠印方面。膠印是被廣泛應(yīng)用于打印報(bào)紙和雜志的的一種方法。膠版印刷使用膠印板，它是一個(gè)陽(yáng)極氧化鋁基板和一個(gè)含有親水性和疏水性的領(lǐng)域的表面圖案。典型的膠印板的準(zhǔn)備過(guò)程是如下：（1）光敏聚合物被涂在陽(yáng)極氧化鋁板上，（2）板通過(guò)一個(gè)光罩被照亮。

(3)開發(fā)板以消除光敏聚合物被照亮的或被保護(hù)的區(qū)域。經(jīng)過(guò)這些過(guò)程，板被一個(gè)有潤(rùn)濕性能的圖案覆蓋，被光敏聚合物覆蓋的區(qū)域是疏水的，而陽(yáng)極氧化鋁表面暴露的領(lǐng)域是親水的。在印刷的過(guò)程中，基板首先被水浸潤(rùn)，水選擇性地覆蓋了親水區(qū)。接著，油基印刷油墨遍及整個(gè)表面。在親水區(qū)水的存在防