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提高二氧化钛光催化性能的途径研究

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李晨雨王俏俏郭庆杰李博文叶晖

【摘?要】二氧化钛是一种化学物质，它具有特殊的光催化性能。二氧化钛是一种新型半导体材料，因其具有优良的光催化特性，在太阳能储存与利用、光电转换、光致变色及光催化降解大气和水中污染物等诸多方面具有广阔的应用前景。自1972年人们发现这种材料能够降解环境中的有害有机物生成二氧化碳和水，并且能够氧化去除大气中的低浓度的氮氧化物和含硫化合物等有毒气体，杀菌、除臭之后，有关于二氧化钛的研究就越来越多了。本文，将对提高二氧化钛催化性能的几种途径进行研究，以求在以后的生活中更好的应用这种物质，改善环境，提升生活品质。

【关键词】二氧化钛;光催化;途径研究

引言

二氧化钛（tio2）化学性质稳定、无毒、不可再生且不昂贵，是理想的半导体光催化剂。在自然界中，tio2有三种晶体结构：金红石、锐钛矿和水镁石。前期是稳定期，随后是不稳定期，二氧化钛的晶型对催化活性的提高起着重要的作用。研究表明，该麻醉剂具有灯泡型光催化波形，在三种晶型中，部分含有光催化剂1～1。tio2是一种新型的半导体材料。它已被证明广泛应用于太阳能转换和储存、紫外线防护、光色谱、废水处理、空气处理、细菌销毁等领域，减少二氧化碳和分解有害和复杂的有机物质。近年来，基础研究和应用研究文件的数量急剧增加，其内容主要侧重于光导特性研究。由于纳米-tio2光电催化作用的特点，它在环境保护方面的应用展现了广阔而有吸引力的前景，研究和开发纳米tio2光催化氧化的特性已成为各国研究人员密切关注的热点。

1.二氧化钛光催化机理

（1）tio2禁区宽度为3.2电子伏特。当它吸收波长小于或等于387.05纳米的光子时，价区内的电子将被激发到传导区，形成负电荷的高活性e，同时，在价带正电荷空穴的产生。在电子场和空穴的作用下，粒子表面的位置会被分离并迁移到不同的位置。热力学理论表明，H是分布在表面的，可以吸附在tio2表面的OH，但氧化为基，对顺磁共振的研究也证明了在tio2表面的水大量的基，在水中存在的氧化剂中，OH基的氧化能力是最强大的，并且可能会严重氧化。大多数有机污染物和某些无机污染物最终会分解成无害物质，如CO和HO，而OH对试剂几乎没有选择性，因此在光催化氧化中起着决定性作用。

（2）此外，许多有机化合物的氧化潜力大于tio2价带的负值，而且还可以直接氧化h±o。tio2表面上的高活度e具有很强的再生能力，可在水中去除金属离子。

2.提高纳米二氧化钛光催化性能的主要方法

tio2的使用也有其局限性;被禁区的宽度约为3.2电子伏特，激发电子空穴蒸汽需要载体的复合速度非常高，通常发生在微微秒和毫微秒，在刻度范圍内，光催化活动较少;利用率尤其是可见光相对较低。因此，产生高活性光催化剂的关键是减少光生成电子和空穴的复合概率，并扩大可见光的吸收范围。目前，主要采用稀土合金和过渡金属合金等方法来改善光电催化特性，贵金属的沉积、复合半导体、有机染料的光敏化和tio2纳米芯片的产生。其中最突出的是对经掺杂修改的tio2光催化特性的研究。

2.1稀土元素掺杂

稀土元素在光学、电子学和催化剂中广泛应用，稀土元素的极端电子的位置基本相同，加上它们在周期表中相邻，所以它们的性质相对相似，他们显示了一个规律性的逐步变化。大多数的价元素有+3，有些有+2或+4的价，因为4f层将是半满的，一个完整的或完全空的状态，很容易获得或丢失电子。根据各种创造氧气空缺的方法，稀土合金元素和二氧化钛晶格的效应可以分为两类。一种是掺入一价或价+3的稀土离子元素，如Gd3+、Y3+、La3等。D.这些离子衍射成晶格，代替钛离子，产生氧气空位，因此，它有助于鲁基拉相的相转化和晶粒增长，并影响二氧化钛的光催化活动。另一种类型是掺入的稀土离子交换元素，由于稀土离子的半径通常大于钛离子的半径，当合金离子或其氧化或还原状态扩散到钛的二氧化钛晶格中时，它们会引起晶格的更大扭曲和扩张。研究表明，紫外线-可见吸收稀土元素掺入的纳米tio2粉末有红偏移，这表明，稀土元素的掺杂有助于吸收可见光和催化剂中的电荷载体产生，从而改善光催化活动。

2.2过渡金属掺杂

金属离子掺杂可在tio2晶格中造成缺陷或改变结晶性，从而影响光生电子和空穴的复合，因此，它的光催化活性受到影响。崔等人系统地研究了金属离子掺杂的tio221种纳米晶体，发现金属离子掺杂在0.1%至0.0%的栅格中的比重很大。

2.3贵金属沉积

研究表明，贵金属沉积在tio2表面，相当于tio2，表面形成了一个与tio2和惰性金属作为电极的短路微型电池组。由电极吹制的H【化】可将有机物质氧化成液相，而e【化】从而降低了e复合的可能性，并提高了催化剂的活性。因此，通常使用的贵金属Pt、Pd、Ag、Au、Ru等