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
TiO2光催化氧化机理
TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-）;而价带中则相应地形成光生空穴(h+)，如图1-1所示。
如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成 ·OH自由基，·OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO2和H2O等无害物质。
反应过程如下：
反应过程如下：
TiO2 + hv → h+ +e- (3) h+ +e- → 热能 （4）
h+ + OH- →·OH (5) h+ + H2O →·OH + H+ (6)
e- +O2 → O2- （7） O2 + H+ → HO2· (8)
2 H2O·→ O2 + H2O2 (9) H2O2 + O2 →·OH + H+ + O2 (10)
·OH + dye →···→ CO2 + H2O (11)
H+ + dye →···→ CO2 + H2O (12)
。污水治理 中国资源综合利用 Ｃｈｉｎａ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．４ ２０１０年４月
ＴｉＯ２光催化氧化去除水中有机污染物
韦 芳
（江苏省赣榆县环境保护局，江苏 赣榆２２２１００）
摘要：ＴｉＯ２光催化氧化去除水中有机污染物，是一种无毒、催化活性高、稳定性好以及抗氧化能力强的
新型水处理方法，因此在水处理中日益显示出广阔的前景。介绍了ＴｉＯ２光催化去除水中有机污染物的
研究进展，催化剂及载体，以及反应的影响因素等概况。 关键词：光催化氧化；有机污染物；ＴｉＯ２光催化剂
中图分类号：Ｘ７０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—９５００（２０１０）０４—００５６—０３
Ｓｔｕｄｙ ０ｎ ＴｉＯ２ Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｉｎ
Ａｑｕａｔｉｃ Ｓｏｌｕｔｉ０ｎ
Ｗｅｉ Ｆａｎｇ
（Ｇａｎｙｕ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，Ｇａｎｙｕ ２２２１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｉ０２ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ
ｏｆ ｎｏ ｔｏｘｉｃｉｔｙ，ｈｉｇｈｌｙ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｎｔｉ－ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ｔｈｕｓ ｉｔ ｈａｓ ｓｈｏｗ ｂｒｉｇｈｔ
ｐｒｏｓｐｅｃｔ ａｎｄ ｈｕｇｅ ｍａｒｋｅｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｒｔｕｒｅ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ
ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｉｎ ａｑｕａｔｉｃ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｃａｔａｌｙｓｔ，ｓｕｐｐｏｒｔｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｅｆｆｅｃｔ
第1篇
一、实验目的
本实验旨在探究光催化氧化技术在有机污染物降解中的应用，通过光催化反应实现有机物的降解，并分析反应条件对降解效果的影响。
二、实验原理
光催化氧化技术是利用光能激发催化剂产生电子-空穴对，进而引发氧化还原反应，实现对有机污染物的降解。在实验中，以TiO2为催化剂，利用紫外光照射催化体系，使有机污染物发生氧化降解。
三、实验材料与仪器
1. 实验材料：
- TiO2催化剂
- 染料废水（模拟有机污染物）
- 硫酸、氢氧化钠、盐酸等试剂
- 水浴加热器
- 紫外灯
- 分光光度计
- pH计
- 离心机
2. 实验仪器：
- 紫外可见分光光度计
- 离心机
- pH计
- 电子天平
- 烧杯 - 试管
- 滴定管
四、实验步骤
1. 准备催化剂：将TiO2粉末加入去离子水中，搅拌至充分溶解，形成TiO2悬浊液。
2. 准备染料废水：将模拟有机污染物废水稀释至一定浓度，备用。
3. 设置实验组：取一定量的TiO2悬浊液和染料废水于烧杯中，搅拌均匀。
4. 紫外光照射：打开紫外灯，照射催化体系，记录照射时间。
5. 取样：在照射过程中，定时取样，分析有机污染物浓度变化。
6. pH值测定：使用pH计测定溶液pH值，分析pH值对降解效果的影响。
7. 数据处理：利用分光光度计测定有机污染物浓度，绘制降解曲线，分析反应条件对降解效果的影响。
五、实验结果与分析
1. 有机污染物降解曲线：实验结果显示，在紫外光照射下，染料废水中的有机污染物浓度随时间逐渐降低，说明光催化氧化技术能够有效降解有机污染物。
2. pH值对降解效果的影响：实验结果表明，在pH值为3-6时，降解效果最佳。这是因为在此pH范围内，TiO2表面吸附的H+和OH-浓度适中，有利于光催化反应的进行。
3. 照射时间对降解效果的影响：实验结果显示，随着照射时间的延长，有机污染物浓度逐渐降低，但降解效果趋于平缓。这说明在一段时间后，有机污染物已基本降解，继续照射效果不明显。
