光催化剂二氧化钛的研究进展

１ ． １ ． １ Ｔ ｉ Ｏ ： 晶 型 的 影 响
金 属离子 掺杂不仅 能提高 Ｔ ｉ Ｏ ： 的光 量子效率 ， 而且 还可使 Ｔ ｉ Ｏ 的 吸收光 谱响应范围红移 ， 延伸至可见光 区域 ， 从 而有利于提高对太 阳光 的吸收效 率 。当金属离 子掺杂后 ， 便在 Ｔ ｉ Ｏ 禁 带 中引入新 的杂质能 级， 从而使其禁 带宽度相对 变窄 。这样 ， 价带 中的电子吸收 光辐射后 ， 先是跃 迁到这个新的杂质能级 ， 然后通过再一 次吸收能量 ， 并 由杂质能 级跃 迁至导带 。这样就 降低 了受激发所 需的能量 ， 使 得能量 较小的光 量 子也 能激发半 导体产 生电子 和空穴 ， 提高 光子利 用率 ， 从而 实现改 性Ｔ ｉ Ｏ ： 光催化剂的光谱响应范 围向可见光 区移 动。但是金属离子 的掺 杂会 在 Ｔ ｉ Ｏ 晶格 中引入缺陷位置或改变结 晶度等 ， 从而 Ｔ ｉ Ｏ ： 的激发波长 发生变 化 ； 而且 ， 半导体 Ｔ ｉ Ｏ 表 面光生 载流子 的复合几 率会降低 、 寿 命增长 ， 这使 Ｔ ｉ Ｏ 的光催化作用得到进一步提 高 ， 出现这种情况的原 因 可 以说成是 掺杂 的金属 离子成 为电子 和空穴 的浅势捕 陷 阱 。Ｔ ｉ Ｏ ： 中掺 杂不 同的金属离子 ， 引起 的变化是不 一样 的并不 是所有 的金属离 子掺 杂都会提 高 Ｔ ｉ Ｏ 的催 化性 能 ， 只有 掺杂特定 的金属离子 才有助于 提高 Ｔ ｉ Ｏ 的光 量子效率 。大量研究 表明 ， 金属 离子掺 杂Ｔ ｉ Ｏ 的光催化 活性受诸多 因素的影响 ， 比如掺杂金属离子 的浓度 、 价态、 半径 、 能级位 置及 ｄ电子构型等等 。 高ｐ Ｈ值 或 低 ｐ Ｈ值 条 件 。 Ｂ ｕ ｄ ｄ ｅ ｅ 等 采用浸渍 法制备 了Ｃ ｒ — Ｔ ｉ Ｏ 和Ｆ ｅ — Ｔ ｉ Ｏ ， 研 究结果 表明 ， １ ． １ ． ４外 加电子捕获剂的影响 当掺杂离子 浓度为 ０ ． ０ ５ ｍｏ １ ％一 ０ ． ２ ｏｏ ｔ １ ％时 ， 掺杂离子 的浓度对 样品的 晶 人们在评 价 Ｔ ｉ Ｏ 光催化 降解 活性时 ， 通常都是 在空气或 Ｏ ： 气氛 中 相 不产 生影 响 ， 并 且禁 带 宽度 由无 定 形 Ｔ ｉ Ｏ 的３ ． ２ ８ ｅ Ｖ减 小 为 ２ ． ５ ０ ｅ Ｖ 进 行的 。但 有文献指 出 ， 若体 系中加入不 同的 电子捕 获剂后将 会大大 （ Ｆ ｅ — Ｔ ｉ Ｏ ） 和２ ． ８ ６ ｅ Ｖ （ Ｃ ｒ — Ｔ ｉ Ｏ ） ， 光 的吸收范 围扩展到 了可见光区 。Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ 改变 Ｔ ｉ Ｏ ： 的活 性” ～。Ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ａ 等人 ” 在Ｔ ｉ Ｏ 光催化 降解苯 酚 中发现 ， 当 等 在 Ｔ ｉ Ｏ ： 中掺 杂 了稀 土金 属离子 Ｅ ｕ “ ， 与纯 Ｔ ｉ Ｏ 相 比较 ， Ｅ ｕ 掺 杂后 ｉ Ｏ 的尺寸变小 且更加均一， 平 均尺寸约 １ １ ｎ ｍ， 显然 由于 Ｅ ｕ 的掺杂使 体 系中加入 Ａ ｇ 或Ｈ Ｏ后 ， 无论是锐钛矿 还是金红石相 的光催 化活性都 Ｔ 得Ｔ ｉ Ｏ ： 粒子的生长大大受到 了限制 。进 一步研究发现 ， Ｅ ｕ “ 掺杂到 Ｔ ｉ Ｏ 有 显著提高。 一方 面可 在 Ｔ ｉ Ｏ 晶格表 面发生 氧化还原反应 ， 另一方 面还可有效 另外 ， 当体 系中同时含有 Ｆ ｅ “ ／ Ｆ ｅ 和Ｈ Ｏ 时， （ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ） 一 Ｆ ｅ ｎ ｔ ｏ ｎ 反应 （ 公 中后 ， 式） 可以发生 ， 有利于‘ Ｏ Ｈ的生成 ， 也可 以加快有机 物的降解 。 地抑制 Ｔ ｉ Ｏ 由锐钛矿 型向金红石 型的转 变 ， 从而进 一步提 高 Ｔ ｉ Ｏ 光 催 Ｆ ｅ （ Ⅱ） ＋Ｈ Ｏ — Ｆ ￣ （ １ Ｈ ） ＋ ＯＨ ＋Ｏ Ｈ— ｋ ｌ ＝５ ８ Ｍ Ｓ （ １ ） 化活性 。实验结果表 明， 当Ｅ ｕ 含量为 ｌ ａ ｔ ． ％时， 光催化 活性 最好。 Ｆ ｅ （ １ ｌ Ｉ ） ＋Ｈ： Ｏ ： — Ｆ ｅ （ Ⅱ） ＋ＯＯ Ｈ＋Ｈ ｋ ２ ＝Ｏ ． ０ ２Ｍ Ｓ （ ２ ） ２ ． １ ． ２ 非金属离子掺杂 Ｆ ￣ （ １ ｌ Ｉ ） ＋ ＯＯ Ｈ— ＋ Ｆ ｅ （ Ⅱ） ＋Ｏ ： ＋Ｈ （ ３ ） 非金属 元素掺杂 为 Ｔ ｉ Ｏ ： 改性研究 又开辟 了一条新途径 ， 非金属 掺 ２ＯＯ Ｈ — Ｏ ｚ 十 Ｈ Ｏｚ （ ４ １ 杂使利用 Ｎ 、 Ｓ 、 Ｐ 等非金属 元素取代 Ｔ ｉ Ｏ 中的部 分元素 ， 制成 Ｔ ｉ Ｏ ｘ 型光 １ ． １ ． ５ 溶 液 的温 度 催化剂 。非 金属掺杂 使得氧 的２ ｐ 轨 道和非金 属中的 Ｐ 轨 道杂化 ， 或 者 在光 催化降解污染物过程 中 ， 溶 液温度可影响很多反应过程 ， 但 这 在Ｔ ｉ Ｏ 带 隙的价带中引入一个分离能级 ， 这样 价带会 出现宽化上移 ， 禁 些并不是 决定光催化反应速率 的关键 步骤。光催化氧化还原反应 大多 带宽度相应减小 ， 使Ｔ ｉ Ｏ ： 的吸收光谱红移 ， 拓展 了Ｔ ｉ Ｏ 的光响应范围。 伴 随吸热或放热 过程 ， 溶 液温度对其也有一定影响。 ２ ０ ０ １ 年， Ａ ｓ ａ ｈ ｉ 等首次将 Ｎ 或其他非金 属元 素引入纳米 Ｔ ｉ Ｏ ： 晶格来 １ ． ２动力学 因素 对Ｔ ｉ Ｏ 进 行改性 以提 高其可见光催 化活性 。２ ０ ０ ３ 年， Ｏ ｈ ｎ ｏ 等 Ｉ 将钛 的 １ ． ２ ． １ Ｔ ｉ Ｏ 表面结 构 异丙醇盐和硫脲溶于 乙醇 中 ， 制 备得 到掺硫的 Ｔ ｉ Ｏ 光催化剂 ， 并进行光 Ｔ ｉ Ｏ ： 光催 化降解 有机 污染物 过程 中 ， 光催 化反应 主要发 生在 Ｔ ｉ Ｏ 解 甲基蓝实验考察 Ｓ — Ｔ ｉ Ｏ 的光催化 活性 。结果表 明掺硫 的Ｔ ｉ Ｏ ： 光催化 表面 。所 以， Ｔ ｉ Ｏ ： 的表面性质 ， 包括 Ｔ ｉ Ｏ ： 表面积 、 Ｔ ｉ Ｏ 表面对光子 的吸收 剂 粉末 对可见光有 吸收 ， 并认为 ｓ 产生置 换晶格金属离子 Ｔ ｊ 形成 阳离 能力 、 Ｔ ｉ Ｏ 表面对光 生电子和空穴 的捕 获 、 分离和转移 能力是影响其光 子 ｓ 掺杂。在紫外光激发下 ， ｓ 掺杂Ｙ ｉ Ｏ 的活性 略低 于 Ｐ 一 ２ ５ ； 而在可见 催化 活性的重 要因 素 。 。 比表 面积大 的 Ｔ ｉ Ｏ 样 品对光 子的 吸收效率 光 激发下 ， 只有 Ｓ － Ｔ ｉ Ｏ 具 有光催化 活性 ， Ｐ 一 ２ ５ 无活 性 。这 一报道也 对 高， 吸附Ｏ 。 等反应 物的能力 强 。Ｔ ｉ Ｏ ： 表面缺 陷的存在会 形成 限制电子 Ａ ｓ ａ ｈ ｉ 的理论计算和推论提 出了质疑 。

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。

二氧化钛光催化降解塑料研究进展近年来，塑料污染成为全球环境的重要问题之一、随着经济的快速发展和人口的增加，塑料垃圾的产生呈现出急剧增加的趋势。

而传统的塑料处理方法往往效果较差，并且对环境造成了很大的压力。

因此，寻找一种高效、环保的塑料降解方法成为了一个紧迫的课题。

近年来，光催化技术在环境治理领域得到了广泛应用。

二氧化钛作为一种重要的光催化剂，具有较高的光催化活性和化学稳定性，因此被广泛应用于降解有机污染物、净化废水等领域。

同时，二氧化钛光催化降解塑料也成为一个研究的热点。

二氧化钛能够通过光催化反应将光能转化为化学能，从而引发有机物的氧化降解。

这是因为二氧化钛具有较高的价带和较低的导带能级，而塑料具有较高的导带能级和较低的价带能级，因此塑料能够与二氧化钛形成电子-空穴对，并引发光催化反应。

研究表明，二氧化钛光催化降解塑料的过程中主要存在三个步骤：吸附、电子转移和化学反应。

首先，塑料颗粒会吸附在二氧化钛表面，然后塑料颗粒会从固体相上释放出来，并与二氧化钛表面的活性位点发生电子转移。

最后，塑料颗粒在电子转移的作用下发生氧化、光解等反应，从而完成降解过程。

然而，二氧化钛光催化降解塑料研究仍面临着一些挑战。

首先，目前对于光催化降解塑料的机理研究还不够深入，需要进一步探索光催化降解的反应路径和产物。

其次，二氧化钛光催化降解塑料的效率还不够高，需要提高二氧化钛的光催化活性和稳定性。

此外，目前的研究多集中在实验室尺度上，还需要进一步研究二氧化钛光催化降解塑料的工程应用。

为了提高二氧化钛的光催化活性，一些研究人员采取了改性二氧化钛的方法。

例如，将银纳米颗粒负载到二氧化钛表面，可以显著提高二氧化钛的光催化活性。

此外，还有人通过改变二氧化钛的晶相、粒径和表面形貌等方法来提高其光催化性能。

同时，一些研究还探索了光催化剂的组合使用，如将二氧化钛与其他半导体材料组合使用，以增强光催化降解塑料的效果。

总的来说，二氧化钛光催化降解塑料是一项有巨大潜力的研究课题。

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。