二氧化钛光催化剂的改性研究

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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及其改性技术研究进展

｛收稿日期：２０１２年１Ｏ月１９日项目基金：中科院 “ 西部之光 ”项目（Ｎｏ．ＲＣＰＹ２０１１０３），中科院 “ 百人计划一引进国外杰出人才 ”启动项目资助作者简介：陈琳（１９８６一），女，新疆自治区人，博士研究生．通讯联系人：Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｐｃ＠ｍｓ．ｘｊｂ．ｑ，Ｃ．ｃｎ
中呈溶解状态的污染物，但此类方法处理成本高，且不可避免地带来二次污染；生物法主要是通过微生物的代谢作用使污水中呈溶解、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物转化为稳定、无害的物质。此类方
法处理周期较长且对处理温度、时间以及水体中有机物含量等有较高的要求。因此，研究开发新型的污水深度处理方法有非常重要的意义。
解水制氢、抗菌环保等领域有着广泛的应用。然而ＴｉＯ２材料本身大的禁带宽度（＝３．２ｅＶ）阻碍了其实际应用，进而导致其可见光利用率低、量子产率低。因此制备具有高量子产率且对可
见光有快速响应能力的Ｔｉｏ２已成为当前光催化剂研究的关键课题。国内外关于ＴｉＯ２光催化剂的改性技术逐渐完善并在制备方法、材料形貌和结构控制等方面有新的突破。本文综述了ＴｉＯ２
具有整流作用的区域），可促进电子及空穴的转移、分离及迁移到催化剂的表面；由于两种晶型的紧密接触，使得颗粒内部的电子．空穴分离效果更好。但是，随着金红石型比例的逐渐增加，电子．空穴向粒子表面下迁移路径增长，分离几率减小，复合几率增大，导致其光催化活性不佳，因此通过严格控制两种

二氧化钛光催化活性影响及其改性研究进展

１．１．１ＴｉＯ：晶型的影响
金属离子掺杂不仅能提高ＴｉＯ：的光量子效率，而且还可使ＴｉＯ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ＴｉＯ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ＴｉＯ：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ＴｉＯ晶格中引入缺陷位置或改变结晶度等，从而ＴｉＯ：的激发波长发生变化；而且，半导体ＴｉＯ表面光生载流子的复合几率会降低、寿命增长，这使ＴｉＯ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。ＴｉＯ：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ＴｉＯ的催化性能，只有掺杂特定的金属离子才有助于提高ＴｉＯ的光量子效率。大量研究表明，金属离子掺杂ＴｉＯ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ｐＨ值或低ｐＨ值条件。Ｂｕｄｄｅｅ等采用浸渍法制备了Ｃｒ — ＴｉＯ和Ｆｅ — ＴｉＯ，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０．０５ｍｏ１％一０．２ｏｏｔ１％时，掺杂离子的浓度对样品的晶人们在评价ＴｉＯ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ＴｉＯ的３．２８ｅＶ减小为２．５０ｅＶ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（Ｆｅ — ＴｉＯ）和２．８６ｅＶ（Ｃｒ — ＴｉＯ），光的吸收范围扩展到了可见光区。Ｚｈａｎｇ改变ＴｉＯ：的活性” ～。Ｒｉｖｅｒａ等人 ” 在ＴｉＯ光催化降解苯酚中发现，当等在ＴｉＯ：中掺杂了稀土金属离子Ｅｕ “ ，与纯ＴｉＯ相比较，Ｅｕ掺杂后ｉＯ的尺寸变小且更加均一，平均尺寸约１１ｎｍ，显然由于Ｅｕ的掺杂使体系中加入Ａｇ或ＨＯ后，无论是锐钛矿还是金红石相的光催化活性都Ｔ得ＴｉＯ：粒子的生长大大受到了限制。进一步研究发现，Ｅｕ “ 掺杂到ＴｉＯ有显著提高。一方面可在ＴｉＯ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Ｆｅ “ ／Ｆｅ和ＨＯ时，（ｐｈｏｔｏ）一Ｆｅｎｔｏｎ反应（公中后，式）可以发生，有利于‘ ＯＨ的生成，也可以加快有机物的降解。地抑制ＴｉＯ由锐钛矿型向金红石型的转变，从而进一步提高ＴｉＯ光催Ｆｅ（ Ⅱ）＋ＨＯ — Ｆ￣（１Ｈ）＋ＯＨ＋ＯＨ— ｋｌ＝５８ＭＳ（１）化活性。实验结果表明，当Ｅｕ含量为ｌａｔ．％时，光催化活性最好。Ｆｅ（１ｌＩ）＋Ｈ：Ｏ： — Ｆｅ（ Ⅱ）＋ＯＯＨ＋Ｈｋ２＝Ｏ．０２ＭＳ（２）２．１．２非金属离子掺杂Ｆ￣（１ｌＩ）＋ＯＯＨ— ＋Ｆｅ（ Ⅱ）＋Ｏ：＋Ｈ（３）非金属元素掺杂为ＴｉＯ：改性研究又开辟了一条新途径，非金属掺２ＯＯＨ — Ｏｚ十ＨＯｚ（４１杂使利用Ｎ、Ｓ、Ｐ等非金属元素取代ＴｉＯ中的部分元素，制成ＴｉＯｘ型光１．１．５溶液的温度催化剂。非金属掺杂使得氧的２ｐ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ＴｉＯ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ＴｉＯ：的吸收光谱红移，拓展了ＴｉＯ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。２００１年，Ａｓａｈｉ等首次将Ｎ或其他非金属元素引入纳米ＴｉＯ：晶格来１．２动力学因素对ＴｉＯ进行改性以提高其可见光催化活性。２００３年，Ｏｈｎｏ等Ｉ将钛的１．２．１ＴｉＯ表面结构异丙醇盐和硫脲溶于乙醇中，制备得到掺硫的ＴｉＯ光催化剂，并进行光ＴｉＯ：光催化降解有机污染物过程中，光催化反应主要发生在ＴｉＯ解甲基蓝实验考察Ｓ — ＴｉＯ的光催化活性。结果表明掺硫的ＴｉＯ：光催化表面。所以，ＴｉＯ：的表面性质，包括ＴｉＯ：表面积、ＴｉＯ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Ｔｊ形成阳离能力、ＴｉＯ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ＹｉＯ的活性略低于Ｐ一２５；而在可见催化活性的重要因素。。比表面积大的ＴｉＯ样品对光子的吸收效率光激发下，只有Ｓ－ＴｉＯ具有光催化活性，Ｐ一２５无活性。这一报道也对高，吸附Ｏ。等反应物的能力强。ＴｉＯ：表面缺陷的存在会形成限制电子Ａｓａｈｉ的理论计算和推论提出了质疑。

改性二氧化钛催化剂得研究进展

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。

二氧化钛光催化特性的改性

将光催化剂的粒子纳M化，从理论上将产生如下的四个效应，可以有效提高量子产率，利于光催化反应[12]。

a.能级移动由量子效应引起的导带电子和价带空穴的能级移动，使光催化剂的还原性和氧化性增大，使得不被普通微M级粒子还原的分子可被超微粒子还原。

这个效应可认为与电极反应中电压增大的效果类似。

这是因为超微粒子的电子俘获能级在导带附近上升，并且这种能级的的移动伴随着吸收光谱向短波方向移动。

因而如果想用太阳光中的可见光为光源，必须使用能隙比较窄的半导体材料。

b5E2RGbCAPb.光激发位置趋于表面半导体的粒径变小，光激发产生的电子-空穴对能很快到达催化剂表面。

由于反应是在表面进行的，可以使更多的光生电子和空穴被氧化剂或还原剂吸收，有效减少电子和空穴的复合，因而氧化或还原的速率就会增加。

p1EanqFDPwc.电荷分离的空间变小半导体光催化剂内部会产生空间电荷层，这种电势梯度避免了光激发的电子-空穴对的复合。

然而，电子-空穴对在狭小的空间产生，复合的几率也会增加。

由于表面的氧化-还原反应与复合反应竞争，粒径的减小也可能引起反应速率的降低。

DXDiTa9E3dd.表面积增大对于所有的催化剂，超微粒子化将使表面积增大，从而使催化剂活性增大。

对于粒径在12～150nm的TiO2光催化剂，从水或乙醇中产生的氢活性与粒径成反比关系[13]，其原因不仅在于催化剂表面积的增大，而且与能量状态有关。

RTCrpUDGiT1.5.2可见光敏化可见光敏化是指光催化剂表面经物理或化学吸附一些有机物，经一定波长的光激发后产生光生电子，然后注入到半导体光催化剂的导带上，从而在TiO2中产生载流子的过程。

由于TiO2的带隙较宽，只能吸收紫外光区光子。

而敏化作用可以提高光激发过程的效率，通过激发光敏剂把电子注入到半导体的价带上，从而扩展了光催化剂激发波长的响应范围，使之有利于降解有机化合物。

敏化剂对半导体的激发、电荷转移和敏化剂再生进行过程如图1-4所示[14]。

TiO2催化剂

纳米TiO2催化剂的制备改性、表征及在光催化氧化过程中的性能研究自从上世纪七十年代以来，二氧化钛在环境治理方面的研究被迅速开展起来。

二氧化钛最大的优点是无毒、抗腐蚀，由于具有稳定的物理和化学性质被广泛地用作催化剂和载体。

其中研究最多的是二氧化钛在光催化氧化过程中的应用。

当物质所具有的尺寸属于纳米级别（<100nm），其特殊的表面效应和体积效应决定了其具有特殊的化学性质。

由于纳米颗粒表面原子数与其总原子数之比随粒径变小而急剧增大，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子大相径庭，从而使其具有很大的化学活性。

另外，纳米颗粒因其表面原子周围缺少相邻原子会存在许多悬空键，具有不饱和性质，这些因素将导致纳米颗粒的特殊吸附现象，反应活性和催化性质。

纳米二氧化钛催化剂由于其特殊的表面状态和表面能，具有很高的活性和吸附能力是一种性能优良的催化剂。

纳米材料的制备可分为物理方法和化学方法两大类。

物理方法包括机械研磨法、沉积法和熔融法等，其中最常见的为机械粉碎法。

物理方法通常能耗大、成本高、尺寸可控性差，可取之处在于所得材料的微晶结构较为完善、表面缺陷相对较小。

化学方法在微粒粒度、粒度分布、微粒表面控制方面有一定优越性，主要包括：化学气相沉积法、液相法、溶胶—凝胶法、固相反应法、辐射合成法。

1.纳米二氧化钛的制备纳米二氧化钛的合成方法很多中溶胶—凝胶法以其工艺简单、反应温度低、能耗小、且引入杂质的可能性小、制得的产品粒度小、纯度高、分散性好等优点，成为合成超细二氧化钛的主要方法。

溶胶—凝胶技术是指金属的有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成为氧化物或其他固体化合物的方法，所需要的烧结温度比传统的固相反应法低200~500℃。

采用溶胶—凝胶法制备纳米二氧化钛，选择钛酸丁酯作为前驱物，令其均匀混合于无水乙醇中并发生水解与缩聚反应，形成稳定的溶胶体系，溶胶再经过陈化转变为凝胶，最后对凝胶进行热处理得到超细的二氧化钛颗粒。

二氧化钛作为光催化剂的研究

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。

纳米二氧化钛的制备与光催化性能研究毕业论文

毕业设计（论文）纳米二氧化钛的制备与光催化性能研究1 绪论二氧化钛，化学式为TiO2，俗称钛白粉，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。

二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。

二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑[1]；它又具有锌白一样的持久性。

二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。

在过去的研究中，用半导体粉末对水、油和空气中的有毒有机化合物进行光催化降解和完全矿化引起了人们的大量关注。

由于抗光腐蚀性，化学稳定性，成本低，无毒和强氧化性，二氧化钛被作为应用最广泛的光催化剂来光降解水和空气中的有毒化合物。

但是二氧化钛具有较大的带隙（锐钛矿相二氧化钛为3.20ev）因此，只有较小一段太阳光区域，大约为2%~3%紫外光区可被应用[2]。

人们尝试用各种制备方法，如贵金属掺杂、氧化物复合、表面修饰等等方法，防止和减少电子与空穴的复合，提高催化剂的光催化活性。

众所周知，吸附和催化的效率与固体的孔径及表面积有关，因此，对二氧化钛进行修饰、改性及增大比表面积是提高光量子效率和增大反应速率的一个有效的方法与途径。

1.1 TiO2的结构与基本性质1.1.1物理常数及结构特征表1 TiO的物理常数1.1.2 TiO2的结构特征在自然界中，TiO2存在三种晶型结构，即金红石、锐钛矿和板钛矿。

这些结构的区别取决于TiO68-八面体的连接方式，图1-1是TiO68-八面体的两种连接方式，锐钛矿结构是由TiO68-八面体共边组成，而金红石和板钛矿结构则是由TiO68-八面体共顶点且共边组成。

锐钛矿TiO2中的每个八面体与周围8个八面体相连，金红石TiO2中每个八面体与周围10个八面体相连。

事实上锐钛矿可以看做是一种四面体结构，而金红石和板钛矿则是晶格稍有畸变的八面体结构[3]。

简单地认为锐钛矿比金红石活性高是不严谨的，它们的活性受其晶化过程的一些因素影响。

二氧化钛光催化剂掺杂改性的研究进展_张卓磊

［22 ］性最佳． SONAWANE R S 等人在太阳光照射下研究了溶胶凝胶法合成的 Au / TiO 2 薄膜光催［21 ］［20 ］［19 ］
［14 ］［13 ］
2
TiO2 光催化剂的掺杂改性
单纯的 TiO 2 光催化剂因其禁带宽度的限制，
只有在紫外光的照射下才能显示较好的催化活性．然而在到达地球的太阳光中，紫外光能量仅占 4% 左右，而可见光能量约占 45% ．因此，如何提高 TiO 2 的光催化活性、拓宽其对太阳光的响应范围具有重要的应用价值．依据光催化的反应机理，提高 TiO 2 光催化剂的催化效率主要有两个方面：一是抑制光生电子空穴对的重组以提高电荷分离的效率，进而提高光催化效率；二是通过拓宽光催化剂的光谱响应范围，将光催化从紫外光拓展至可见光区，以提高太阳光的有效利用率．目前，改善 TiO 2 的光催化性能主要有以下两个途径：（ 1 ）场效耦合即从光生载流子的波粒二象性出发，在反应体系中引入热场、电场、微波场、磁场等附加外部能量，在光催化反应条件下将外部能量与光场耦合叠加并直接作用于半导体光催化剂；即从催化剂的制备出发，用化学改性修饰催化剂，如光敏化、贵金属或金属氧
［9 ， 10 ］．化物的沉积、半导体的复合、离子的掺杂等此外，光催化反应器的合理设计也相当重要，
（ 2 ）改性修饰
94
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2013 年
无机离子以及其他离子的掺杂均可有效改善催化剂的催化性能．研究表明，将金属离子引入 TiO 2 晶格中，可在其禁带中引入杂质能级，减小禁带宽度，使价带中的电子接受波长较长的光激发后，先跃迁到杂质能级，通过再次吸收能量，由杂质能级跃迁至导带，这样就降低了受激所需的能量．适当的离子掺杂可以加强 TiO 2 在可见光范围的扩展程度和吸收强度，使其可见光活性得到提高．可掺杂的金属种类很多，在研究过程中发现，金属掺杂量的确定非常重要，适量的金属阳离子掺杂能有效地阻止电子空穴对的重组，而过多的金属阳离子会在光催化剂表面形成新的重组中心，反而不利于光催化反应． M / TiO 2 光催化降解有机污染物的基本反应

二氧化钛作为光催化剂的研究

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%勺紫外光部分）。

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。

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。

二氧化钛作为光催化剂的研究

二氧化钛作为光催化剂的研究近年来，人们对于环境污染问题的关注度越来越高，特别是光污染和空气污染。

为了减少环境污染，开发一种高效、经济、环保的技术成为迫切需求。

二氧化钛（TiO2）作为一种光催化剂，因其卓越的光电化学性能和化学稳定性，吸引了广泛的研究兴趣。

二氧化钛作为一种常用的光催化剂，具有以下几个重要的优点。

首先，二氧化钛是一种廉价、可再生的材料，易于生产和大规模应用。

其次，二氧化钛具有较高的光催化活性和化学稳定性，在常温下就可以进行光催化反应。

再次，二氧化钛对可见光的利用效率较低，可有效抑制光生电子-空穴对的复合，提高光催化反应的效率。

最后，二氧化钛的表面可以通过改性来调控其光催化性能，使其适应不同环境下的需求。

然而，二氧化钛的光催化活性主要局限于紫外光区域，且光生电子-空穴对的复合速度较快，影响了光催化反应的效率。

因此，提高二氧化钛的光催化活性和抑制复合效应是当前研究的重点。

为了提高二氧化钛的光催化活性，一种常用的策略是通过合成纳米结构的二氧化钛。

纳米结构的二氧化钛具有较大的比表面积和量子尺寸效应，可以增加光吸收量和光生电子-空穴对的生成量。

此外，通过调控和表面修饰，可以进一步提高纳米结构二氧化钛的光催化活性。

例如，金属减数剂、杂化材料和共掺杂等方法都可以有效地改善二氧化钛的光催化性能。

另外，金属氧化物或其他半导体材料与二氧化钛的复合也是提高光催化活性的一种重要策略。

这种复合材料能够充分利用不同材料的优点，实现光催化性能的协同增强。

例如，二氧化钛与锌氧化物、硫化物或硝酸铋复合，能够扩展光吸收范围和提高光催化活性。

除了以上策略，应用外界电场或磁场也能提高二氧化钛的光催化性能。

外部电场和磁场可以改变电子和空穴的传输行为，促进光生电子-空穴对的分离，并减缓其复合速度。

这种方法尚需进一步研究和优化，以实现在实际应用中的可行性。

综上所述，二氧化钛作为一种光催化剂，在环境污染治理和可持续发展方面具有巨大潜力。

TiO2光催化剂的研究进展

光催化剂在环保领域的应用摘要：光催化是一种新型的环境治理方法。

文章首先分析了光催化的反应机理，对光催化在水处理、气体处理以及其他环保方面的研究和应用进行了综述。

最后，指出了当前阻碍这一技术发展的难题。

Application of Photocatalyst to Contaminants DegradationAbstract: The photocatalysis was a new technology of environment treatment. The principle and mechanism of photocatalysis reaction was analyzed, firstly. Then the application of thistechnology was discussed in waste water, air and others area. At last, the mainproblems of photocatalysis were indicated at present.1 引言自1972年Fujishima和Honda[1]发现了TiO2作为催化剂，在太阳光的作用下可以分解水制得氢气以来，光催化反应开始得到了普遍的关注。

经多年深入的研究，逐步掌握了该反应的机理[2-3]。

在此基础上，研究者发现光催化反应可以有效的分解有机物、杀灭细菌和消除异味，并且光催化技术拥有多方面的优势，如反应温度是室温，光催化剂自身无毒、无害、无腐蚀性，也不会有二次污染等。

因此和传统的高温、常规催化、吸附等技术相比，光催化在环保领域的应用有很多明显的优势，近些年来取得了长足的发展[4-7]。

本文就这一技术在环保领域的应用做一个综合评述，以期为相关的研究提供参考。

2 反应机理光催化是以n型半导体的能带理论为基础，以n型半导体作催化剂的一种光敏氧化法。

半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带(V alence Band，VB)和空的高能导带(Conduction Band，CB)构成，价带和导带之间存在一个区域为禁带，区域的大小通常称为禁带宽度(Eg)。

二氧化钛表面改性

二氧化钛表面改性
汇报人：陈杰 2015.05.21
表面改性
导致纯二氧化钛光催化剂： 1.光谱响应范围短
2.光催化效率低纯二氧化钛存在缺点：
1.晶格缺陷 2.禁带宽度大
表面改性的原因及目的
主要内容
材料制备
材料表征改性效果机理研究结论
改性过程
FT-IR
TiO2: 3380
-OH
542 Ti-O-Ti
1 cya/TiO2: 3400 -OH 3100~3400 -NH2 –NH-
1400~1700 C-N C=N
g-C3N4：3100~3400 -NH2 –NH1400~1700 C-N C=N
804 三嗪结构
材料表征

改性后二氧化钛不仅
在紫外区间存在吸收峰，在可见光区间也存在吸收峰
该催化剂光催化效果好，可用于可见光下，便于实际应用
对g-C3N4与TiO2结合方式的初探，验证假设
结论
改性效果
以偶氮染料AO7为模拟反应物
可见光下
紫外灯下
改性后光催化效果显著提升
机理研究
g-C3N4和TiO2的结合方式是通过g-C3N4末端
氨基和TiO2表面的羟基脱水结合而成 NaOH溶液处理
XPS
可见光下
紫外灯下
NaOH处理后的样品光催化效率明显下降，变相证明了上述假设
成功制备出g-C3N4表面改性的TiO2光催化剂

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研究现状与进展二氧化钛（TiO2）作为一种重要的半导体光催化材料，在环境治理、能源转化和新能源开发方面具有广泛的应用潜力。

本文将介绍二氧化钛光催化材料的研究现状和进展。

目前，二氧化钛光催化材料的研究主要集中在可见光响应和光催化活性的提高上。

传统的二氧化钛主要响应紫外光，而可见光区域占了太阳光的大部分能量，因此实现可见光响应是提高二氧化钛光催化性能的重要途径之一一种常用的策略是通过掺杂其他元素来实现可见光响应。

例如，掺杂氮、碳等非金属元素可以改变二氧化钛的带隙结构，使其能够吸收可见光。

此外，过渡金属氧化物（如Fe2O3、WO3等）和半导体（如Bi2O3、ZnO等）的掺杂也可以改善二氧化钛的可见光催化性能。

这些掺杂可以提高二氧化钛的吸光能力，增加光生电子-空穴对的产生，从而提高光催化活性。

另一种策略是通过结构调控来提高二氧化钛的光催化性能。

例如，将二氧化钛构筑成纳米结构或多孔结构，可以增加其比表面积和光吸收能力，提高光催化反应的效率。

此外，采用复合材料可以进一步提高二氧化钛的光催化性能。

例如，将二氧化钛与其他半导体、金属纳米粒子等复合，可以形成协同效应，提高光生电子-空穴对的产生和利用效率。

在二氧化钛光催化材料的应用方面，除了环境治理和能源转化外，还包括新能源开发领域。

例如，可通过二氧化钛光催化材料将太阳能转化为化学能，实现光电催化制氢。

此外，二氧化钛光催化还可以应用于电化学合成、光催化合成等方面。

总的来说，二氧化钛光催化材料的研究已经取得了显著的进展。

通过掺杂和结构调控等方法可以实现二氧化钛对可见光的响应，并提高光催化活性。

未来的研究可以继续挖掘二氧化钛光催化材料的潜力，拓展其在环境治理、能源转化和新能源开发方面的应用。

二氧化钛光催化剂改性研究进展

2017年11月二氧化钛光催化剂改性研究进展吴琪(西藏大学理学院,西藏自治区西藏拉萨850000)摘要：TiO 2光催化材料，因为其具有较高的催化活性，稳定的化学性质，成为当前的研究热点。

本文重点探讨了改性TiO 2光催化剂的研究进展，对金属掺杂、复合半导体、贵金属沉积、光敏化等四种方法分别进行深入的分析研讨。

研究结果表明这四种方式都能有效地提高二氧化钛的光催化活性。

关键词:TiO 2；光催化；光催化改性1972年，Fujishima 和Honda [1]发现光电池中光照射的TiO 2可持续发生水的氧化还原反应产生H 2。

这一开创性的工作标志着以TiO 2为代表的半导体光催化剂开始发展起来。

TiO 2独特的光学性能，电学性能以及催化性能，使其在污水处理、空气净化、光解水制氢和染料敏化太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。

半导体的光催化特性是由它的特殊能带结构所决定。

但是，TiO 2具有较大的禁带宽度(3.2eV)，只能吸收波长λ≤387nm 的紫外光，不能有效地利用太阳能，光催化或能量转换效率偏低，使它的应用受到限制。

因此对TiO 2的改性研究，通过调控禁带带宽的调控，扩大它的光响应范围，仍是十分重要的研究课题。

目前，TiO 2光催化剂的改进方法有很多，比如贵金属沉积、离子掺杂、半导体复合、表面修饰等。

1金属离子的掺杂金属离子的掺杂本质上是通过把一定量的杂质离子（主要指的是过渡金属离子和一些稀土离子，如掺杂Zn,Fe,Mo,Ru 等）引入到TiO 2晶格的中间，从而来影响TiO 2内部载流子的一系列过程，来改变TiO 2的光催化效果。

由于钛元素属于过渡金属元素，容易形成光生电子空穴对的浅势捕获阱，有效的降低了电子和空穴的复合概率。

2复合半导体半导体的复合利用两种不同的半导体的能级差可以有效的提高电荷分离，即利用窄带隙的半导体敏华宽带隙的半导体TiO 2，从而扩展TiO 2的吸收光谱范围。

在光照的激发下，复合的窄带隙半导体受光激发时，半导体与TiO 2同时产生电子跃迁。

二氧化钛光催化剂及稀土离子掺杂改性的研究

估算：
Ｌ０８￣ｐＣＳ＝．９／Ｏ
１２１光催化剂及稀土离子掺杂制备．．
采用溶胶一凝胶法制备光催化剂口：一定体］将
积的钛酸丁酯溶液缓慢溶于无水乙醇和水，加滴
式中，为半峰宽（取弧度）为衍射角，，Ｌ为晶粒
１３．ｏ。６ｃｒｎ
评价实验的反应器由光解槽、紫外灯、光催化
维普资讯
第２卷第１４期
鲫
周志凌，等．二氧化钛光催化剂及稀土离子掺杂改性的研究
∞
２１
生长ｌ，＿晶体为立方面心晶体。由谢乐公式计算７］出ＴｉＯ改性前后的平均粒径分别为８ｍ和１８ｎ６
波长定在其最大吸收波长６０ａ处，６ｍ光催化效
率Ｄ按下式计算：
Ｄ＝ＥＡ０Ａ）Ａ０Ｘ１０（－／］０
分析。
１实验１１试剂及仪器．
式中，为光催化前的吸光度，为光照时间３Ａ。Ａ０ａｎ后ｒｉ溶液的吸光度。光催化效率越大，明光说
根据１２２的评价方法筛选最佳稀土离子掺．．杂量，后比较Ｔｉ性前后光催化活性。然Ｏ改稀土掺杂量对光催化活性的影响见图１。
收稿日期：０６３一１；改稿收到日期：０６一ｌ一Ｏ。２０一Ｏ０修２０１４

二氧化钛纳米材料的制备、改性及光催化性能研究

摘要二氧化钛纳米材料的制备、改性及光催化性能研究摘要随着人们生活水平的不断提高，越来越多的产品来自于石油、煤炭和天然气等不可再生的自然资源。

同时，产品在原材料的提取、运输和转化过程中都有可能给环境带来负面效应。

因此，环境污染和能源短缺现象成为人类目前应对的世界性难题。

半导体光催化技术在环境修复领域的作为不容忽视，已被证明是降解水体和大气环境中有害污染物的有效途径。

在解决能源危机方面，通过光分解水制氢、太阳能电池等方式实现了可再生能源的高效利用。

二氧化钛因其高稳定性，无毒性且低成本被认为是非常理想的光催化半导体材料。

光催化剂的表面积是决定污染物吸附量的重要因素，直接影响其光催化活性的强弱。

由于二氧化钛纳米材料的高表面能使得纳米粒子间倾向于聚集以达到体系的平衡状态，导致纳米粉体的团聚现象严重，无法获得较大的活性表面积。

因此，本文采用表面活性剂作为分散剂，并优化制备工艺进行改性，以获得均一分散的二氧化钛纳米体系是十分必要的。

主要研究内容如下：（1）综合溶胶-凝胶法和溶剂热法的制备优势，本论文采用溶胶-溶剂热改进工艺进行实验分析。

以钛酸丁酯为钛源，无水乙醇为溶剂，浓硝酸为抑制剂，按照n(Ti(OR)4):n(C2H5OH):n(H+):n(H2O)=1:15:0.35:4的反应物配比，制备纳米级二氧化钛材料。

（2）通过单因素实验与正交实验相结合的方式，以样品对甲基橙的光催化降解率为分析依据，探究溶剂热温度、溶剂热时间、煅烧温度和煅烧时间对于二氧化钛光催化活性的影响。

正交实验的结果表明，最佳工艺参数是：当溶剂热温度为150℃，溶剂热时间为24h，煅烧温度为450℃，煅烧时间为4h时，样品的光催化降解率最高，为82.88%。

同时XRD、SEM、TEM和EDS的图像表明，样品为结晶度良好的单一锐钛矿相，无任何杂质，但分散性一般。

（3）在最佳工艺参数的基础上，通过控制表面活性剂的种类和含量的不同，探究不同类型表面活性剂的最佳投料比，从而确定用于二氧化钛纳米粉体改性的最佳分散剂，并通过XRD、SEM、TEM和EDS等技术对样品进行表征。

环境领域的二氧化钛基光催化剂负载和改性技术研究进展

2017年第36卷第11期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·4043·化工进展环境领域的二氧化钛基光催化剂负载和改性技术研究进展阿山，于丹丹，白杰，郑家威，李春萍(内蒙古工业大学化工学院，内蒙古呼和浩特 010051)摘要：在环境问题日益加剧的今天，二氧化钛基光催化剂因其具有优异的性质，是光催化领域中人们研究的热点。

二氧化钛基光催化剂研究包括能源领域的光解水制氢、太阳能电池、水体内污染物的去除以及CO 2资源化利用等方面。

本文综述了近年来国内外二氧化钛的负载和改性技术的研究进展。

通过硅土类、聚合物类、玻璃类和碳材料等载体来负载二氧化钛，可有效解决其易流失、难回收和容易团聚的问题；以非金属掺杂、贵金属沉积、过渡金属离子掺杂、染料敏化和半导体材料复合等对二氧化钛进行改性研究，可有效减小二氧化钛半导体材料禁带宽度，能够有效降低电子和空穴复合的概率，增强二氧化钛基催化剂的可见光活性。

并对未来的二氧化钛基光催化剂在环境中污水处理及大气有机污染物治理应用研究方面进行了展望。

关键词：二氧化钛；共掺杂；制备；载体；光催化剂；催化中图分类号：O643 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）11–4043–08 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0432Research progress on loading and modification of TiO 2 basedphotocatalyst in environmental fieldA Shan ，YU Dandan ，BAI Jie ，ZHENG Jiawei ，LI Chunping（School of Chemical Engineering ，Inner Mongolia University of Technology ，Hohhot 010051，Inner Mongolia ，China ）Abstract: As the ever increasing environmental problems ，TiO 2 based photocatalyst becomes a hot spot ，due to its various excellent properties. TiO 2 based photocatalyst researches include the energy-based photolysis of water splitting ，solar cells ，water pollutants removal ，and utilization of CO 2 and so on. The research progress of loading and modification of TiO 2 at home and abroad in recent years is reviewed. The use of silicates ，polymers ，glass and carbon materials and other carriers to load titanium dioxide ，can effectively avoid the problems of easy loss ，difficult to recycle and easy agglomeration. The modification of titanium dioxide by nonmetallic doping ，precious metal deposition ，transition metal ion doping ，dye sensitization and semiconductor material composites can effectively reduce the band gap of titanium dioxide semiconductor materials as well as the compound probability of electron and hole ，and enhance the visible light activity of the TiO 2 based catalyst. And the future applications of TiO 2 based photocatalyst in sewage treatment and atmospheric organic pollutants treatment are also prospected.Key words ：titanium dioxide ；codoped ；preparation ；support ；photocatalyst ；catalysis随着工业化的迅猛发展与人口的不断增长，全球范围内的环境污染问题逐步加剧。