纳米二氧化钛的光催化特性及应用进展

第31卷第10期辽宁化工Vol.31,No.102002年10月LiaoningChemicalIndustryOctober,2002纳米二氧化钛的光催化特性及应用进展周晓谦1,周文淮2(1.辽宁工程技术大学职业技术学院,辽宁阜新123000;2.辽宁阜新技术监督局,辽宁阜新123000)摘要:纳米二氧化钛是一种重要的无机物,具有良好的物理和化学性能,其应用前景极好。本文介绍了它的光催化特性和应用进展,包括有机物的降解、氮氧化物和含硫化合物的分解去除、还原金属离子、杀菌、除臭等方面的应用,最后简要说明了提高二氧化钛光化学性能的途径。关键词:纳米二氧化钛;光催化特性;应用中图分类号:TQ134.11文献标识码:A文章编号:10040935(2002)100448031前言高科技的飞速发展对高效性能材料的要求越来越高,纳米尺寸的合成会为开发高性能新材料和对现有材料的性能的改善提供一条新途径。纳米二氧化钛的开发和利用就已受到人们的广泛关注。二氧化钛(俗称钛白粉)有板钛矿、金红石和锐钛矿三种晶型,其中金红石和锐钛型二氧化钛的应用较广。纳米二氧化钛具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随着粒径的下降急剧增加,小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子,例如纳米TiO2的强度、韧性和超塑性与TiO2粗晶相比大大提高,可用于生产纳米陶瓷[1]。纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低得多[2],可用于生产电子陶瓷或用作鞣制剂。纳米二氧化钛可用于导电涂料、导电塑料、复印纸、电磁波吸收、气体传感器、温度传感器,其磁性能高,可用于磁记录材料[3],另外纳米二氧化钛的光学性质使其用于高档轿车涂料、感光材料、PEC电池、化妆品、食品包装、化学纤维、红外线反射膜、隐身涂料等[5],纳米二氧化钛也有较好的化学活性,可用于农药、医药、环境工程等方面。从以上可知,纳米二氧化钛有区别于常规粉体的特殊的物理、化学特性,因而应用十分广泛。本文仅从纳米二氧化钛的光催化性能及其应用进展进行简要评述。2二氧化钛光催化特性1972年二氧化钛光催化特性由日本藤屿昭教授发现以来,光催化材料已得到了广泛的研究。所谓光催化是指纳米材料在光照射下,通过把光能转变成化学能,促进有机物的合成或有机物降解的过程。光催化的基本原理是:当半导体氧化物(如TiO2)纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后,电子从价带跃迁到导带,产生了电子—空穴对,电子具有还原性,空穴具有氧化性,空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的OH-反应生成氧化性很高的OH自由基,活泼的OH自由基可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物,例如可以将酯类氧化变成醇,再氧化变成醛,醛再氧化变成酸,酸进一步氧化变成CO2和水。半导体的光催化活性主要取决导带与价带的氧化—还原电位,价带氧化—还原电位越正,导带的氧化—还原电位越负,则光生电子和空穴的氧化及还原能力就越强,从而使光催化降解有机物的效率大大提高。目前广泛研究的半导体光催化剂大都属于宽禁带的n型半导体氧化物,已研究的光收稿日期:2002206218催化剂有TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、In2O3、ZnS、SrTiO3和SiO2等十几种,这些半导体氧化物都有一定的光催化降解有机物的活性,但因其中大多数易发生化学或光化学腐蚀,不适合作为净水用的光催化剂,而TiO2纳米粒子不仅具有很高的光催化活性,而且具有耐酸碱和光化学腐蚀、成本低、无毒的特点,这就使它成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。3二氧化钛光催化的应用近年来人们发现二氧化钛光催化材料具有降解废水和空气中的有机物,去除空气中氮氧化合物、含硫化合物、还原水中部分重金属有害离子、杀菌、除臭等用途。3.1降解有机污染物利用纳米二氧化钛的光催化特性就可以处理含有机污染物的废水也可以降解空气中有机物。光催化氧化法是一种高效的深度氧化过程。大量研究工作发现,纳米二氧化钛可将水体中的烃类、卤代烃、羧酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等较快地完全氧化为CO2和H2O等无害物质[4],达到除毒、脱色、去臭的目的,从而消除水中有机物的污染。另外近年来,随着室内建筑装饰材料、家用化学物质的使用,室内空气污染越来越受到人们的重视。目前已从室内的空气中鉴定出几百种有机物质,对室内主要污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明,污染物的光降解与其浓度有关。质量数为1ⅹ10-4以下的甲醛可完全被二氧化钛光催化分解为CO2和H2O,而在较高浓度时则被氧化成甲酸。高浓度甲苯光催化降解时,由于生成的难分解的中间产物富集在二氧化钛周围,阻碍了光催化反应的进行,去除效率非常低,但低浓度时甲苯很易被氧化为CO2和H2O[5]。