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二氧化钛光催化材料研究现状与进展二氧化钛光催化材料是一类应用广泛且备受关注的催化材料。
它具有优异的光催化性能，可有效利用可见光波段吸收光能，将水和空气中的有机污染物和有害物质转化为无害物质。
二氧化钛光催化材料在环境治理、清洁能源、光电器件等领域具有广阔的应用前景。
本文将介绍二氧化钛光催化材料的研究现状与进展。
二氧化钛是一种重要的半导体光催化材料。
它具有良好的化学稳定性、光稳定性和物理稳定性，且价格低廉、易于合成。
二氧化钛的光催化性能主要依赖于其晶型、表面形貌、晶粒尺寸、杂质掺杂等因素。
迄今为止，已有许多方法被提出来改善二氧化钛的光催化性能。
在二氧化钛的晶相中，主要有锐钛矿相（anatase）和金红石相（rutile）。
锐钛矿相的光催化性能优于金红石相，因此提高二氧化钛中锐钛矿相的含量，可以增强其光催化性能。
目前，常用的方法是通过控制合成条件、添加特殊添加剂或利用碳掺杂来增加锐钛矿相的含量。
除了晶型控制外，二氧化钛的表面形貌对其光催化性能也有重要影响。
研究表明，具有高比表面积和多孔结构的二氧化钛光催化材料具有更高的光催化活性。
为了增加二氧化钛的比表面积，一种常用的方法是通过溶剂热法或水热法合成纳米二氧化钛颗粒。
此外，还可以利用模板法、电化学沉积等方法来制备具有特定结构和形貌的二氧化钛纳米材料。
此外，晶粒尺寸也是影响二氧化钛光催化性能的重要因素。
通常情况下，具有较小晶粒尺寸的二氧化钛材料显示出更高的光催化活性。
制备细颗粒二氧化钛的方法包括溶胶-凝胶法、燃烧法、等离子体法等。
最后，元素掺杂是另一个重要的改善二氧化钛光催化性能的方法。
常用的掺杂元素有金属离子（如铁、铜、铬）、非金属离子（如硼、氮、碳）和稀土元素。
元素的掺杂可以改变二氧化钛的能带结构和光吸收性能，从而提高光催化活性。
总之，二氧化钛光催化材料的研究领域非常广泛，存在许多值得深入探索的问题和挑战。
虽然已经取得了一些进展，但仍然需要进一步研究和改进，以实现其在环境治理、清洁能源等领域的应用。
二氧化钛光催化材料的研究及在造纸废水处理中的应用二氧化钛光催化材料的研究及在造纸废水处理中的应用引言随着人们对环境污染问题的日益关注，废水处理成为了一项重要的任务。
造纸废水作为工业废水的一种，其含有大量的有机物和色素，对环境具有较大的危害。
因此，开发高效、低成本的废水处理技术成为了研究的热点。
二氧化钛光催化材料因其卓越的催化性能和环境友好性在废水处理中受到了广泛关注。
本文将对二氧化钛光催化材料的研究进展及其在造纸废水处理中的应用进行探讨。
一、二氧化钛光催化材料的研究进展1. 二氧化钛光催化机理二氧化钛在紫外光照射下具有卓越的光催化活性，主要是由于其宽带隙能带结构和良好的电子传输性能。
当二氧化钛受到光照后，光生电子-空穴对会被产生，并形成氧化还原反应。
光生载流子的寿命和分离效率对催化活性起着重要作用。
2. 二氧化钛的改性及结构调控为了提高二氧化钛的光催化性能，研究人员进行了多种改性方法。
例如，通过掺杂、复合、纳米化等手段，可以改善二氧化钛的吸光性能和光生载流子的传输效率。
此外，调控二氧化钛的晶体结构和形貌也对提高其光催化活性具有重要意义。
3. 二氧化钛光催化材料的制备方法常见的制备二氧化钛光催化材料的方法包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法、燃烧法等。
这些方法具有简单、易操作、可控性强等优点，能够制备出具有良好光催化活性的二氧化钛材料。
二、二氧化钛光催化材料在造纸废水处理中的应用1. 有机物降解造纸废水中含有大量的有机物，例如纤维素、木质素和淀粉等，这些有机物对水体有一定的毒性和悬浮物质。
二氧化钛光催化材料能够有效降解废水中的有机物，将其转化为无害的物质。
光催化过程中，二氧化钛所产生的羟基自由基能够与有机物发生氧化反应，使有机物分解成较小的分子，在光催化反应中逐渐降解。
2. 色素去除造纸废水中常含有大量的色素，这些色素会降低水体的透明度，影响水质。
二氧化钛光催化材料能够有效去除废水中的色素，使水体恢复透明度。
二氧化钛光催化氧化的研究进展二氧化钛（TiO2）是一种广泛应用于光催化氧化反应中的半导体材料。
其广泛应用的原因之一是其独特的光电化学性质，能够在紫外光照射下产生强氧化性的自由基和电子。
近年来，研究人员不断提出新的方法来改善二氧化钛的光催化性能，以应用于环境污染治理和清洁能源生产等领域。
本文将综述近年来二氧化钛光催化氧化研究的进展。
首先，研究人员通过改变二氧化钛的晶体结构和形貌来提高其光催化性能。
例如，在研究人员将金属或非金属掺杂到二氧化钛中，可以有效地提高其光催化活性。
金属掺杂（如银、铜、铁等）能够提高二氧化钛的吸光能力，并生成更多的光生电子和空穴，从而增强催化反应。
非金属掺杂（如氮、硫、碳等）则改变了二氧化钛的能带结构，使其光催化活性发生明显变化。
此外，通过调控二氧化钛晶体的形貌和构造，如纳米颗粒、纳米线、纳米片等，能够提高光的吸收和扩散能力，进一步增强光催化性能。
其次，研究人员通过负载二氧化钛光催化剂来提高其催化活性。
将二氧化钛负载在其他材料上，如石墨烯、氧化石墨烯、纳米碳管等，能够提高光催化剂的表面积和吸附性能。
这样一来，反应物能够更充分地与光催化剂接触，从而提高反应的效率和选择性。
同时，负载材料的载体还能够提供额外的功能，如富集光催化剂、调控光催化剂的吸附性能等，进一步提高光催化性能。
第三，研究人员还通过光敏剂的引入来提高二氧化钛的光催化性能。
光敏剂通常是一种具有高吸光度和高光电转换效率的有机化合物，能够在可见光区吸光，并通过电荷转移和能量转移过程与二氧化钛相互作用。
在光照条件下，光敏剂吸收光能并中转给二氧化钛，激发光生电子和空穴，从而增强光催化反应。
此外，通过合理设计光敏剂的结构和功能分子，还可以实现更精确的光催化反应，如选择性催化、串联催化等。
最后，基于二氧化钛的光催化氧化研究还涉及到载流子的传输和分离。
在光催化反应中，电子和空穴的有效传输和分离对于光催化反应的效果至关重要。
因此，研究人员通过调整二氧化钛的电子结构和界面性质，或者引入电子传输助剂（如导电聚合物、金属催化剂等）来提高载流子的传输和分离效率，从而增强光催化性能。
二氧化钛光催化剂的研究进展安徽建筑工业学院材化学院 10化工（2）摘要：：二氧化钛里粒是10—50nm具有屏蔽紫外线功能和产生颜色效应的一种透明物质，纳米二氧化钛光催化材料以其优异的性能广泛应用于灭菌和环境净化等方面二氧化钛光催化剂凭借着可利用光进行催化反应而受到催化行业的亲睐，简要叙述了TiO2光催化剂的制备过程，在日常生活中的应用，对常见有机物的催化和二氧化钛催化剂的展望关键字：二氧化钛制备光催化引言：二氧化钛里粒是10—50nm具有屏蔽紫外线功能和产生颜色效应的一种透明物质，纳米二氧化钛光催化材料以其优异的性能广泛应用于灭菌和环境净化等方面。
作为高效光催化剂，它的显著优点是：能有效吸收太阳光谱中的弱紫外辐射部分，在较大ｐＨ值范围内的稳定性强。
具有高效、无毒的特点。
适用于废气、废液的治理和灭菌，能处理多种有毒化合物，包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、木材防腐剂、染料及燃料油等，迄今详细研究过的有机物达１００种以上。
此外，ＴｉＯ２光催化技术也被用于无机污染物的处理，可以使Ｈｇ２＋、Ｐｂ２＋等水中金属离子还原或氧化而沉积在ＴｉＯ２表面。
ＴｉＯ２光催化可能降解的无机污染物还有氰化物、ＳＯ２、Ｈ２Ｓ、ＮＯ和ＮＯ２等有害气体也能被吸附在ＴｉＯ２表面，在光的作用下转化成无毒无害物质。
由于ＴｉＯ２的禁带宽度为～３．２ｅＶ，只能吸收波长小于～３８７ｎｍ的紫外辐射，不能充分利用太阳能，光催化降解率低。
特别是对一些难降解有机物如苯基的降解性能较差。
为了进一步改善二氧化钛光催化材料的性能目前国内外进行了大量的研究工作。
正文：1光催化：光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。
在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。
由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因此后来将这一现象中的氧化钛称作光触媒。
这种现象相当于将光能转变为化学能。
1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。
林仕伟等：尖晶石型化合物的制备及光催化性能· 535 ·第38卷第3期氮掺杂二氧化钛光催化剂的研究进展胡裕龙1,2，刘宏芳1，郭兴蓬1(1. 华中科技大学化学与化工学院，武汉 430074；2. 海军工程大学理学院，武汉 430033)摘要：纯纳米二氧化钛禁带较宽，只能在紫外光下激发。
拓宽二氧化钛的光谱响应范围，实现可见光激发，是二氧化钛基光催化材料面临的主要问题。
氮掺杂二氧化钛具有良好的可见光催化活性，是具有可见光响应的二氧化钛基光催化材料的典型代表，近十年来受到了广泛关注。
本文综述氮掺杂二氧化钛可见光响应机理和提高光催化活性方面的研究进展，提出今后值得关注与研究的方向。
关键词：二氧化钛；氮掺杂；可见光；光催化活性；综合评述中图分类号：O643.1 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)03–0535–07RESEARCH PROGRESS ON NITROGEN DOPED TITANIA PHOTOCATALYSTHU Yulong1,2，LIU Hongfang1，GUO Xingpeng1(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074;2. College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: The pristine titania nanomaterial can only be excited by ultraviolet light because of its wide band-gap. Extending the opti-cal response to the visible light spectrum is one of the most important aspects to the TiO2-based photocatalyst. Nitrogen-doped titania has high visible light photocatalytic activity, which is representative of TiO2-based photocatalyst with reactivity under visible light, and has received enormous attention from scientists and engineers in the past decade. In the current review, the recent progress in research on the origins of visible light responses and the improvement of photocatalytic activity of nitrogen-doped titania are dis-cussed in detail, and urgent issues for future research and development are proposed.Key words: titania; nitrogen doping; visible light; photocatalytic activity; review纳米二氧化钛(TiO2)具有化学稳定、无毒及光催化活性好的特点，已在许多方面获得了应用。
改性二氧化钛光催化剂得研究进展摘要：采用掺杂非金属或非金属可增强TiO2光催化材料可见光响应能力。
金属掺杂往往牺牲其紫外光区催化能力，而采用非金属掺杂不仅能够增强其可见光响应能力，且保持紫外区光催化活性。
本文简单叙述了添加非金属和过渡金属改性二氧化钛光催化剂的原理方法及其进展。
掺杂非金属改性二氧化钛光催化剂包括了掺杂氮，掺杂碳。
掺杂过渡金属改性二氧化钛光催化剂包括掺杂铁，掺杂银，掺杂锆。
关键词：改性；二氧化钛；非金属；过渡金属；光催化剂1 引言自从发现TiO2光催化特性以来，以TiO2为代表的光催化环保材料得到广泛的研究⑴。
TiO2是目前应用最广泛的光催化剂，具有活性高、稳定性好和无毒、价廉等优点。
已成为目前最引人注目的环境净化材料，广泛应用于环境保护的各个领域。
TiO2以其无毒、氧化能力强和稳定性好而在污水处理、空气净化、杀菌消毒及制备具自洁抗菌等功能的新型材料方面有着广阔的应用前景.TiO2相对其他半导体光催化剂而言，活性相对较高，但由于TiO2半导体的能带较宽（Eg= 3.2 eV），其对太阳光的利用率较低（4%）.只有在紫外光的激发下才能表现光催化活性，因此对二氧化钛进行改性，使其在可见光甚至是室内光源的激发下产生活性是目前众多研究者的研究热点。
2 掺杂元素改性二氧化钛的基本原理TiO2具有较宽的能带间隙，只有在紫外光下才具有光催化活性，为使其具有可见光催化活性，必须直接或间接改变其能带结构，缩小其能带间隙。
采用元素掺杂提高TiO2的可见光催化活性都是基于提高其光生电子－空穴的分离效率，抑制电子－空穴的重新结合来提高其量子效率⑵。
有些科学家认为适当的元素掺杂能够在价带和导带之间形成一个缺陷能量状态，而这种缺陷能量状态可能靠近价带，也可能靠近导带。
这种缺陷能带为光生电子提供了一个跳板，从而可以利用能量较低的可见光激发价带电子而传输到导带，使吸收边向可见光移动。
3 掺杂非金属改性二氧化钛催化剂掺杂非金属改性二氧化钛光催化性的研究很多。
TiCl 4 为原料掺碳二氧化钛的可见光催化活性肖逸帆，柳 松，张连军，陈安琪（华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）摘 要：为拓展二氧化钛对可见光的响应，采用水解法和其它步骤制备了碳掺杂二氧化钛粉末。
用 X 射线衍射和紫外-可见光漫反射吸收光谱以及 X 射线光电子能谱对制备的样品进行了表征，对可见光照射下的光催化活性 进行了测试，并考察了光催化的重复性。
结果表明：碳掺杂致使二氧化钛在可见光区的光吸收增强，在降解甲 基橙的实验中表现出良好的可见光催化活性。
关键词：二氧化钛；光催化；碳掺杂；可见光 中图分类号：O 614.41+1文献标志码：A文章编号：1000–6613（2011）03–0562–05Visible light photocatalytic activity of carbon doped titania photocatalystprepared from TiCl 4XIAO Yifan ，LIU Song ，ZHANG Lianjun ，CHEN A n qi（School of Chemistry and Chemical Engineering ，South China University of Technolog y ，Guangzhou 510640，Gu angdo ng ，China ）Abstract ：In order to expand the optical response of titania into the visible light region ，carbon-dopedtitania powders were prepared by the hydrolysis method and other steps. The prepared samples were then characterized with XRD ，XPS and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy. Moreover ，the photocatalytic activities of the samples in the visible light region were tested ，and the influences of different carbon resource on the photocatalytic activity were investigated. The doping of carbon led to an increase in optical absorption intensity in the visible light region ，which result in high visible light photocatalytic activity with carbon doped titania in the decoloration of methyl orange. Key words ：titania ；photocatalysis ；carbon doping ；visible light偶然发现，没有掺杂的样品也有光催化效果，从而 发现掺 C 二氧化钛的可见光活性。
二氧化硅改性二氧化钛光催化活性研究进展*肖逸帆,柳 松(华南理工大学化学科学学院,广东广州510640)摘 要:二氧化钛是有代表性的一种n型半导体氧化物,其具有稳定性好、光催化效率高和不产生二次污染等特点,在很多方面有着广阔的应用前景。
二氧化硅改性后的二氧化钛具有粒径小、比表面积大、吸附能力强、提高光催化效果等特点。
介绍了二氧化硅改性二氧化钛的机理、制备方法以及其光催化效果。
根据二氧化钛和二氧化硅的结合方式,分别从复合半导体、二氧化硅作负载、二氧化钛表面包覆二氧化硅等几方面进行总结。
关键词:二氧化钛;二氧化硅;负载;表面包覆;光催化中图分类号:TQ134.11 文献标识码:A 文章编号:1006-4990(2007)09-0005-04Research progress on phot ocatalytic activity of silica-m odified tit anic ox i d eX iao Y ifan,L iu Song(Che m istry science instit u te,Sou t h China University of T echno l ogy,Guangzhou510640,Chi na)A bstrac t:T itanic ox i de i s a representati ve n-t ype sem iconductor ox i de.It has w i de appli cation prospec t i n many as pects,because o f its good stab ility,h i gh photocata l y ti c e ffi c iency and free-fro m secondary po ll uti on etc.T he titan ic ox i de i s characterized by s m a ll partic l e s i ze,l a rge spec ific surface,strong absorption ability and better i m proved photo ca talytic effect e tc.a fter it i s m od ifi ed by sili ca.T he m echan is m of silica m od ify i ng ti tan i c ox ide,the preparati on m ethods and photocatalytic e ffect w ere i n troduced.M eanwh ile,based on the co m bini ng m odes o f ti tan i c ox ide and s ilica,t he pape r su mm ar ized from sev e ra l aspects,such as co m po site se m i conducto r,silica be i ng as the suppo rter and titan ic ox i de s ur face coated w ith silica e tc.. K ey word s:titan i c ox i de;sili ca;support;surface coati ng;photocata lysis1 Si O2改性T i O2的光催化机理T i O2与S i O2之间有物理作用和化学作用,即范德华力和化学键(形成了T i O S i)。
二氧化钛光催化剂的研究进展1972 年，A.Fujishima 等首次发现在光电池中受辐射的TiO2，表面能持续发生水的氧化还原反应，这一发现揭开了光催化材料研究和应用的序幕。
1976 年J.H.Carey 等报道了TiO2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯。
S.N.Frank 等也于1977 年用TiO2粉末光催化降解了含CN-的溶液。
由此，开始了TiO2光催化技术在环保领域的应用研究，继而引起了污水治理方面的技术革命。
近十几年来，随着社会的发展和人们对环境保护的觉醒，纳米级半导体光催化材料的研究引起了国内外物理、化学、材料和环境等领域科学家的广泛关注，成为最活跃的研究领域之一。
TiO2 是一种重要的无机材料，其具有较高的折光系数和稳定的物理化学性能。
以TiO2 做光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术越来越受到人们的关注，被广泛地用来光解水、杀菌和制备太阳能敏化电池等。
特别是在环境保护方面，TiO2 作为光催化剂更是展现了广阔的应用前景。
但TiO2 的禁带宽度是3.2eV，需要能量大于3.2eV 的紫外光（波长小于380nm）才能使其激发产生光生电子-空穴对，因此对可见光的响应低，导致太阳能利用率低（只利用约3~5%的紫外光部分）。
同时光生电子和光生空穴的快速复合大大降低了TiO2 光催化的量子效率，直接影响到TiO2 光催化剂的催化活性。
因此，提高光催化剂的量子效率和光催化活性成为光催化研究的核心内容。
通过科学工作者对二氧化钛的物质结构、制备方法、催化性能、催化机理等方面的深入系统的研究，这种快速高效、性能稳定、无毒无害的新型光催化材料在废水处理、有害气体净化、卫生保健、建筑物材料、纺织品、涂料、军事、太阳能贮存与转换以及光化学合成等领域得到了广泛应用。
1 TiO2光催化作用机理“光催化”从字面意思看，似乎是指反应中光作为催化剂参加反应，然而事实并非如此。
光子本身是一种反应物质，在反应过程中被消耗掉了，真正扮演催化剂角色的却是TiO2。
第30卷第2期硅 酸 盐 通 报 Vo.l 30 N o .2 2011年4月 B U LLET I N OF THE CH I N ESE CERAM IC SOC I ETY A pr i,l 2011掺碳二氧化钛光催化的研究进展肖逸帆,柳 松,向德成,王 晔(华南理工大学化学与化工学院,广州 510640)摘要:二氧化钛具有稳定性好、光效率高和不产生二次污染等特点。
当前的研究工作主要是通过金属以及非金属的掺杂改性以提高其可见光活性以及抑制电荷复合。
本文介绍了二氧化钛非金属碳掺杂改性的研究进展。
分别就碳掺杂机理、制备方法、主要影响因素以及共掺杂等方面进行了详细的综述。
关键词:二氧化钛;碳掺杂;可见光;光催化活性中图分类号:TQ134 文献标识码:A 文章编号:1001 1625(2011)02 0348 08R esearch Progress on Carbon D oped T itani a Photocata l ystX I AO Yi fan,LIU Song,X I ANG D e cheng,WANG Ye(S chool ofC he m istry and Che m i calEng i neeri ng ,S outh Ch i n aU n i vers it y of Technol ogy ,Guangz hou 510640,Ch i na)Abst ract :T itan i u m ox i d es has been w i d ely used because it is stab le ,efficient and has no secondarypo llution .Curren t research focused on how to enhance visi b le spectral response and suppress efficientlythe reco mb i n ation o f photoproduced e lectron ho le t h rough m eta l and nonm etal doped T i O 2.The recen tprogress i n research on car bon doped T i O 2pho tocata l y st w as rev ie w ed .The m echan is m ,preparationm ethods and co doped about car bon doped T i O 2w ere discussed i n deta i.lK ey w ords :titania ;carbon dopi n g ;v isible ligh;t pho tocata l y tic activ ity作者简介:肖逸帆(1981 ),男,硕士,助工.主要从事非金属掺杂二氧化钛的可见光活性方面的研究.E m ai:l xiaoy@f scu t .edu .cn1 引 言T i O 2被广泛地用作光催化剂,因为它有着良好的光催化效果、化学稳定性、无毒无害、价格低廉等优点。
纳米T i O 2不仅用于气相以及水溶液中有机污染物的降解、除臭、自洁以及杀菌灭菌,还由于具有优良的光学和电子性质而用于光 电转换。
但是由于T i O 2比较宽的禁带宽度,只有少量太阳光中的紫外光(3%~5%)能够使二氧化钛激发。
为了能够增加可见光的响应,人们通过金属与非金属的掺杂,多年的研究表明金属/金属氧化物或是金属离子掺杂的T i O 2,虽然能够显著降低带隙能级,实现了可见光的激发,但实际上都是在T i O 2的晶粒中增设了良好的电子 空穴复合点位,降低了光催化活性。
由于非金属的掺杂能级接近价带边缘同时又不作用为载流子,而且作为复合中心的倾向比金属小,比金属在提高可见光响应方面更有优势。
人们开始对非金属掺杂进行大量研究,例如氮、碳、硫等。
A sah i 等[1]报道了N 置换T i O 2晶格中少量O 后具有可见光活性,揭开了非金属掺杂研究的序幕,但是他们预测C 2p 在T i O 2中的禁带中位置过深,导致C 2p 与O 2P 很难重合。
然而,W ang 等[2]则运用密度泛函计算,推测当C 替代了T i O 2中O 的位置(5%)后,C 2p 轨道可以显著地和O 2P 重合,而且使得禁带宽度变窄从而提高了可见光催化效果。
Lett m ann [3]在做N 掺杂二氧化钛时偶然发现,没有掺杂的样品也有光催化效果,从而发现掺C 二氧化钛的可见光活性。
Kahn [4]随后报道了掺碳第2期肖逸帆等:掺碳二氧化钛光催化的研究进展349二氧化钛可以在可见光照下分解水,Sakthivel等[5]也是在研究掺N二氧化钛过程中发现样品含有碳元素,比掺N的样品光催化效果提高了5倍。
这些报道引起大家的关注,许多科研工作者加入到掺杂碳二氧化钛的研究当中。
另外,Tryba等[6]研究了加入活性碳的T i O2的光催化活性;Tryba[7]、Tsum ura等[8]对T i O2外面包裹碳的光催化性能进行了报道,不过这两方面的研究更多是基于对解降目标有机物的吸附考虑。
本文综述了C T i O2可见光响应机理、制备方法、影响因素以及共掺杂方面研究的最新进展。
2 光催化机理掺碳二氧化钛的光催化机理尚不十分明确,科学家们对其提高光催化效果的原因有不同的解释。
光敏化机理一般是指T i O2表面的残留碳作用,而且能带窄化则指产生在T i O2内部的掺杂能带。
不同的制备方法得出的C T i O2可能归类于不同机理,又或者两者兼而有之。
本文从以下几方面讨论掺碳二氧化钛提高光催化效果的机理。
2.1 光敏化剂的作用在可见光激发下的电子转移过程[11]图1 C T i O2F i g.1 Proposed e l ec tron transfe r path w ay on C doped T i Opartic l es under v i si b le li ght irrad i a ti on2Lett m ann[3]较早用光敏化剂的理论来解释C T i O2的机理,他们认为C掺杂T i O2的光催化原理是作为一种类似有机染料一样的光敏化剂,可以使电子激发进入到导带上,然后转移到吸附在二氧化钛的氧上面。
同时认为掺碳在可见光降解有机物有两条路径(见图1)(s代表光敏剂):(a)掺杂碳作为光敏化学剂不需要T i O2参与反应,直接被光激发后与氧气反应生成氧自由基,再将污染物降解。
2.2 碳掺杂对二氧化钛能带结构的影响近10年的研究表明,非金属掺杂能够显著降低带隙能级,实现可见光的激发。
W ang[2]报道了用密度泛函理论的计算,发现掺碳同时令金红石二氧化钛的禁带宽度窄化到2.35e V以及O轨道和掺杂轨道的杂化,导致了光催化效率的提升。
其中碳含量为5.20%时碳和氧轨道出现比较多的交迭,而当碳含量较低(0.26%)的时候,交迭并不明显。
这解释了为什么提高掺杂量能提高光催化效果。
350 综合评述硅酸盐通报 第30卷Xu[10]研究指出掺杂碳二氧化钛出现两个吸收边,第一个吸收边为掺碳二氧化钛结构产生;第二个吸收边由于C 在O 2P 的价带上方形成了新的C 能带产生的。
而能带宽度的窄化引起光催化效果的增强。
另外,N akano [11]研究发现掺碳二氧化钛出现三个能级,其中0.86e V 属于原来二氧化钛,1.30e V 、2.34e V 是属于掺杂的碳原子引起的,其中2.34e V 是归属于C 与O 轨道的杂化引起的窄化现象。
Tachika w a 等[12]研究了掺C 二氧化钛的空穴的捕获过程(如图2)。
他们推测,在紫外光下,空穴在表面被捕获并与吸附质发生反应。
在可见光下,空穴在更深的位置被捕获,也就是在掺杂原子的位置上面,但由于电位较低,所以活性比较低。
导致光催化的反应间接发生,首先由表面的水和氧生成中间产物,再发生氧化还原反应。
图2 吸附在纯T i O 2及C T i O 2表面的有机物的光催化降解过程[12]F i g .2 Photoca talytic ox ida tion processes o f organ ic m o l ecules adsorbed on the surfaces o f the pure and C T i O 2particles .对于C T i O 2具体的降解过程目前研究还比较少。
不同的降解目标物,可能光催化降解的过程不一样。
L i u [13]研究了掺碳二氧化钛光降解有机物的过程机理,他们发现,降解甲醇和蚁酸的过程是不相同的。
紫外光激发下价带上的空穴直接氧化甲醇转化为二氧化碳,可见光下激发降解甲醇的途径是间接的(见图3),首先产生水被氧化的中间体,例如T i O,然后再被其氧化。
而降解蚁酸的过程是直接的过程,由掺碳产生的附加能带产生的空穴直接氧化。
图3 甲醇在C T i O 2表面的光催化过程F i g .3 R eaction mechan i s m f o r m ethanol ox i dati on on C T i O 22.3 氧空位一直以来,氧空位对光催化的影响争论很大,通常认为T i O 2的晶格缺陷能够成为催化剂的活性中心,对光催化反应有利。
Li 等[14]研究制备掺碳二氧化钛时只发现一种碳的键,他们判断碳原子没有替代氧原子的位置,所以他们样品的光催化效果另作解释。
指出掺碳的二氧化钛中检测到T i 3+的存在,有O 空位导致T i 3+存在于价带和禁带之间,使样品在可见光下能够激发。
从而提高了其光催化效果。
另外,他们发现在掺碳样品中再加入K +可以使其更加稳定。
Va lenti n 等[15]用密度泛函理论的计算方法,指出掺碳后的二氧化钛倾向于形成氧空位,使其结构趋向稳定。
不过,Ka m isaka [16]用计算的方法,得出不同的结论。
他们认为由于氧空位的费米能级比碳氧杂化轨道高,其结果限制了空穴电子的生成,抑制了光催化反应。
第2期肖逸帆等:掺碳二氧化钛光催化的研究进展3512.4 表面羟基掺碳的二氧化钛会产生表面羟基数量的增加,可能是在溶液燃烧的时候产生大量表面羟基,也可能产生自溶剂水,这是影响光催化效果的因素之一,但是对其原因还不明确。
X ie[17]用XPS检测表面羟基发现含有羟基最多的C T i O2样品有最好的光降解效果。
X iao[18]同样在实验中发现掺碳的光催化效果跟其表面所含有的单位面积的羟基数量呈现线形关系,他们认为羟基产生来自于水和水中的氧。
但是Park[19]在实验中发现C T i O2在可见光的激发下并不能产生羟基来氧化有机物,而是通过掺杂能带上的空穴直接氧化。
