TiO2纳米材料的制备及其光催化性能

纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究

随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。环境问题已严重影响现代文明的发展，有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康，开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。纳米TiO2作为一种光催化材料，具有优异的物理和化学性质，因而被广泛应用和重点研究。本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。

标签：纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能

引言

半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能，使其能在生产实践中广泛应用。

1、TiO2材料简介

TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中金红石是TiO2的高温相，锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV与之对应的激发波长为387nm。所以，TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性，在可见光下一般没有活性。只有对它的结构进行改性，使它的禁带宽度得以缩小，才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。改性的方式目前主要有以下几种方法：通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法，通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法，提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法，增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。粒径的减小能够使表面原子增加，使光催化剂吸收光的效率显著提高，使其表面e一和h十的浓度增大，从而提高光催化剂的催化活性。纳米材料不仅仅具备粒径小的优点，而且还具备了小尺寸所带来的特殊的性质，这些特性将在未来的绿色革命中大展拳脚，给环境保护带来巨大的进展。纳米TiO2能够光催化降解水中多种污染物，对染料、卤代烃、多环芳烃、酚类、表面活性剂和农药等都具有降解能力。用TiO2作为光催化剂，可以使多达60多种含氯化合物在光照条件下氧化还原而生成COa和H20等物质。纳米尺度的TiO2相比与普通二氧化钛具有更好的光催化性能，但由于粒径细小在反应过程中容易流失，而且大量的悬浮纳米级光催化剂会阻挡光的吸收也给废水处理后的分离造成极大的困难。由于这些应用中的困难，近年来固定相纳米光催化技术成为了热点研究，进行TiO2纳米膜及其负载技术的催化氧化实验成为主流。在TiO2光催化氧化处理有机污染物方面，国内现在

１６　材料工程／２０１１年３期　

氮掺杂ＴｉＯ２纳米粉体的制备及其可见　

光催化性能　

Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｖｉｓｉｂｌｅ　Ｌｉｇｈｔ　Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ａｃｔｉｖｉｔｙ　

ｏｆ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ—ｄｏｐｅｄ　Ｎａｎｏ—ＴｉＯ２　Ｐｏｗｄｅｒｓ　

赵宏生，郭子斌，李自强，张凯红　

（清华大学核能与新能源技术研究院，北京１０００８４）　

ＺＨＡＯ　Ｈｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＧＵＯ　Ｚｉ—ｂｉｎ，ＬＩ　Ｚｉ—ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｋａｉ—ｈｏｎｇ　

（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：以钛酸四丁酯和尿素为原料，采用溶胶一凝胶法制备了ＴｉＯｚ凝胶前驱体，干燥后在不同温度下进行热处理得到氮　

掺杂ＴｉＯ　纳米粉体；以ＸＲＤ，ＸＰＳ，ＵＶ—Ｖｉｓ　ＤＲＳ等方法对氮掺杂ＴｉＯ　纳米粉体的晶相、成分和光学性能进行了分析。　

结果表明，氮元素在ＴｉＯ　晶格中主要以间隙掺杂形式存在，随着热处理温度升高和时间延长，ＴｉＯｚ粉体中氮的掺杂量　

逐渐减少。与纯ＴｉＯ　纳米粉体相比，氮掺杂样品的吸收边均发生明显红移，最大吸收边达到７００ｎｍ。亚甲基蓝在可见　

光下的降解实验表明，氮掺杂产物具有良好的可见光催化活性。　

关键词：ＴｉＯ　；氮掺杂；溶胶一凝胶法；可见光催化　

中图分类号：０６２６．４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１ｏ０１－４３８１（２０１１）０３一Ｏ０１６－０４　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎ—ｄｏｐｅｄ　ｎａｎｏ—ＴｉＯ２（ａｎａｔａｓｅ）ｐｏｗｄｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｃａｌｃｉｎｉｎｇ　ｔｉｔａｎｉａ　ｇｅｌ　ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ　ａｔ　

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅ　ｇｅｌ　ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｏｌ—ｇｅｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌ　

南开大学科技成果——二维TiO2基复合光催化材料的制备、固定化及应用研究

项目简介

克服纳米光催化剂易团聚、易流失的弊端，开发出新型快速的光催化剂负载技术，能够大大推进光催化剂在废水、废气中的实际应用，负载材料廉价易得，加工方便，寿命长，具有巨大的比表面积，能够在吸附VOCs物质的同时，直接发生光催化反应，将VOCs物质完全矿化。

通过改进的光接枝方法，利用硅烷偶联剂将得到的复合光催化剂负载于聚酯纤维之上，得到具有光催化功能的聚酯纤维材料，已成功将该技术应用到VOCs处理，研发了一套基于二维TiO2基复合光催化剂材料的吸附/光催化氧化协同处理VOCs设备。

光催化剂表面附着技术

项目特色

将科学研究与实际应用紧密结合，解决了诸多环保实际问题，如饮食业油烟处理问题、废水中典型污染物甲基橙（MO）和对甲基苯磺酸（p-TSA）的降解等。

此外在环保材料制备方面，团队具有完备的研究基础，《糠醇铜铬催化剂清洁生产工艺》曾获国家重点环境保护技术证书、部级科技进步三等奖。在实验条件和科研人员方面具有较强实力，实验室具有红外光谱仪、场发射扫描电子显微镜、高分辨投射电子显微镜、比表面积/孔径测试仪等仪器11台，可用于催化剂表征研究；科研团队配备材料方面专家一名，负责攻克技术难题。

市场应用前景

环保问题日益严重，传统技术已无法满足现在的需求，而光催化氧化技术正在被广泛推广，并被应用于废气、废水处理，而其关键问题在于光催化剂和载体的选择和制备，目前纳米二氧化钛材料市场价格约为800元/kg，廉价易得的载体和催化剂将具有广阔的市场。

1.1 纳米材料概述

纳米材料是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间的材料。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，因此其所表现的特性如具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等。从而使得熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

纳米材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。而现在，纳米材料已经渗透入医药化工、电子计算机和电子工业、环境保护、纺织工业、机械工业等多个领域，展现了其非凡的特性和广阔的发展的前景[1-13]。

1.2纳米TiO2 概述

二氧化钛(TiO2)，俗称钛白粉，是仅次于合成氨和磷酸的世界无机化工产品中销售量第三的产品。在化工生产领域占据着极其重要的地位。

纳米级二氧化钛的粒径在1～100nm之间，比表面积远大于普通二氧化钛，因此具有很大的表面活性，并以其颗粒尺寸的优势而具有许多超过普通钛白粉的优点，光催化降解有机物活性和气敏湿敏性也显著增强。纳米二氧化钛对可见光和波长在200-400nm间的紫外光是透明的，可用作透明效应颜料和紫外光吸收剂，对紫外光有着很好的屏蔽能力，可用于制造化妆品和包装材料，制作多种消毒、防臭和水果保鲜用品，又因其分散性好不沉降可用于高档油墨。纳米TiO2作为新型涂料和光催化剂等大量应用于精细化工中，还可以被用作电子陶瓷元件、光介子、氧化物半导体材料广泛用于消除放射性废物和环境污染物质，以及回收贵金属等。

日本还将二氧化钛的光催化功能应用在净化垃圾处理、高速公路两边的隔音墙、厨房和浴池用瓷砖等，日本东陶公司的科学家渡部俊也在1995年发现了纳米二氧化钛的超亲水性，并已经利用这种特性生产出了不用擦拭的汽车后视镜、防水气和防污的玻璃和陶瓷等。纳米二氧化钛是光催化材料研究的热点也是研究的最多的半导体光催化材料。纳米二氧化钛光催化材料在光催化、超亲水性的发现和应用、利用太阳能直接转化和分解水制氢气等方面的广泛应用使其具有诱人的发展前景。