二氧化钛光催化剂研究进展

二氧化钛光催化剂研究进展

工业催化张春明

摘要：催化是工业生产中追求高效率、高纯度、低耗能的有效手段。纳米TIO２以光催化凭着可以利用可见光进行催化反应而受到催化领域的亲昧,就纳米ＴIＯ２光催化剂目前的研究状况展开论述，并列举了ＴＩO2光催化剂应用领域和目前的制备方法。讨论了光催化剂的发展前景，揭示了目前光催化技术对当代化工事业的影响,并对未来的发展发表了预期的倡想。

关键词：二氧化钛光催化剂纳米材料研究进展

前言

通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思,光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质,其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。

光催化技术是在２0世纪７０年代诞生的基础纳米技术,在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素,在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术,用于环境净化,自清洁材料，先进新能源,癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。

目前光催化反应已经在废水处理这一领域逐渐成效。光催化氧化具有很强的氧化能力，在环境污染治理等方面显示出了巨大的应用潜力，是近年来国内外的一个热点研究领域。由于TｉO2半导体光催化具有生物降解所无可比拟的速度快、无选择性、降解完全等优点，又在价廉、无毒、可以长期使用等方面明显优于传统的化学氧化方法,在环境污染治理方面具有广阔的应用前景。另外最新研究成果显示将TIO2 光催化分子负于磁性,可有效的进行分离回收和再生循环使用。因此,可磁分离的技术的研究成果更为TIO2 光催剂的应用进展画上了光辉的一笔。

作为高新技术纳米材料。纳米TiO２的制备方法主要分为气相法和液相法,前者包括氢氧火焰水解法、气相氧化法、钛酸盐气相水解法和气相分解法等，后者则包括溶胶一凝胶法、微乳法、水解法、水热合成法和一步合成法等。尽管气相法制备的TｉO2粉体粒度小、纯度高、分散性好，但工艺复杂、成本高且对设备和原料的要求较高。相比而言,液相法制备TｉO2的工艺简单、成本低廉、设备投资小，已成为国内研究纳米TiO2常用的方法。现主要列举有关制备ＴiO2 光催化剂的研究进展。

1.光催化剂

光催化是在光的辐照下使催化剂周围的氧和水转化成极具活性的氧自由基，氧化能力极强,几乎可分解所有对人体或环境有害的有机物质。可用作光催化剂化合物,大多是具有半导体性质的,如Tｉ02、ＺnＯ、WＯ３以及CdS、ＺnS等。TiO2是最常用的光催化剂，因为他的光化学稳定性好,无毒且与人体相容性好[1］。

1.1.光催化反应的发现

197２年Ｆｕｊishimａ等[7]报道了在可持续发生水的氧化还原反应，并产生氢气，这个特性引起了环保领域科研工作者的极大兴趣,从此开创了半导体光催化技术的新纪元。TiOz因光催化活性高、氧化能力强、无毒、化学稳定性好、价廉等优点而最受重视。在提高半导体催化活性方面，金属或金属氧化物与半导体复合组成的光催化剂发展得非常迅速，制备和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热点。

1.2.Ti02光催化剂作用原理

当Ti0２吸收光子能量后,其价带上的一个电子跃迁到导带;原价带保留一个空缺，称为空穴,带正电荷。跃迁电子和电空穴都及不稳定,可供给周围介质,使其还原或氧化。因为Ｔi0２的带隙宽约为

3.2eV，必须是紫外线的能量(波长380nm）才能激发。产生的电子-空穴对迁移至Ti0２表面，分别进行还原(电子)、氧化（空穴)反应.

2.Ｔｉ02纳米光催化剂的应用领域

2.１. Ti０2纳米光催化剂薄膜对人工品状体表面修饰作用

复杂性白内障，如葡萄膜炎性、糖尿病性、外伤性及先天性白内障,因术后炎症反应明显，可导致晶状体前膜、瞳孔后粘连及后发性白内障等并发症的发生。因此减轻炎症反应、减少人工晶状体前膜及后发性白内障的形成成为人工晶状体修饰方面的研究目标。光催化是近2０年来最活跃的化学研究领域之一，纳米TiO:光催化剂具有化学性质稳定、生物相容性良好及受光激发后产生氧化还原反应等特点，可以有效的杀伤病毒、细菌、肿瘤细胞等有机物。本实验模拟人工晶状体表面修饰的方法对玻璃薄片表面进行TiO：修饰,在实验条件下观察纳米TiＯ:光催化剂薄膜受光激发后对牛晶状体上皮细胞(Leｎs ｅｐｉtｈeliuｍ cells,LＥC)的杀伤作用,为寻求一种具有动态、持续、安全抑制ＬＥC、炎症细胞增生,又具备杀伤细菌功能的人工晶状体表面修饰材料提供理论依据［1］。

2.2.含氯酚废水的处理

目前含氯漂白技术在我国依然是一种重要的纸浆漂白技术，由于漂白废水携带大量有机氯化物等毒性物质（如氯酚等），对水体产生了严重污染。因此，针对如何去除此类毒性物质的研究越来越受到广大科学工作者的关注，光催化降解就是其中的方法之一.大多数研究者将重点放在催化剂的改性及配伍方面，也有部分研究者开始考虑利用其他能场的协同效应来强化光催化降解(如利用微波辅助光催化降解氯酚,利用放射性物质60Cｏ－r源辐照降解4-氯酚等)。超声波作为一种重要的能场,其协同光催化降解氯酚物质的研究并不多，因此需进一步探索和研究超声波协同光催化降解氯酚废水的过程[2-3］。

２.３.纳米TiO2增强MQ硅树脂硅橡胶性能

硅橡胶具有优异的耐高低温、耐候、耐臭氧、抗电弧、电气绝缘性、耐化学品、高透气性及生理惰性等优点，因而在航空、宇航、电气电子、化工仪表、汽车、机械等工业以及医疗卫生、日常生活的各个领域得到了广泛的应用川。其中加成型硅橡胶由于硫化过程不产生副产物,收缩率极小且强度高，在高温下的密封性及抗返还性比缩合型好,而越来越得到人们的重视。

未增强的硅橡胶力学性能很差,因此龙江省石油化学研究院;东北林业大学的宁志强、徐晓沐、郊明伟等人通过试验得到如下结论：

１) MＱ硅树脂增强的硅橡胶中，加人少量纳米二氧化钦改性后,能够改善硅橡胶的力学性能,其硬度和断裂伸长变化不大,而拉伸强度和抗撕强度提高；

2） MQ硅树脂增强的硅橡胶中,加人少量纳米二氧化钦改性后，硅橡胶耐热性提高;

3） MQ硅树脂增强的硅橡胶中,加人少量纳米二氧化钦改性后，硅橡胶的溶胀比降低,凝胶质量分数和交联密度增加［4]。

2.4．杀菌方面的应用

随着生活水平的提高,人们对工作和生活环境的卫生日益重视。一般杀虫剂能使细胞失去活性,但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素，因此各种环保型的抗菌功能材料应运而生,并获得了迅速发展。利用纳米Ti0２光催化产生的光生电子与光生空穴与催化剂表面吸附的H２O或ＯH形成具有强氧化性的活性经基或超氧离子，与细菌细胞或细菌内组分进行生化反应,彻底杀死细菌,同时还能降解由细菌释放出的有毒复合物,防止内毒素引起二次污染。利用纳米Ti02相继制成

了抗菌陶瓷、抗菌塑料、抗菌涂料、抗菌自洁玻璃、抗菌不锈钢和抗菌纤维等制品。另外,纳米

Tｉ02在中央空调的杀菌、杀菌涂料等方面,都能实现抗菌、抗霉和净化空气等功能[11]o C.Ｈu等人通过对ＡgI/Ti02复合的光催化剂的杀菌性能进行了研究,在可见光照射下,该催化剂可高效杀死大肠杆菌和葡萄球菌,而且检测表明，细菌完全分解为C的氧化物或小分子有机物。

3.纳米TiＯ

光催化剂的制备现状

２

2.1.液相法

Ti02由于具有光催化、电学、热稳定和化学稳定等方面的优良性能，在太阳能转化、紫外光吸