二氧化钛光催化剂及其在环境中的应用

二氧化钛光催化剂及其在环境中的应用

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。光催化技术的核心——光催化剂可以利用清洁的太阳能有效地降解各类有机污染物，从而可以在一定程度上解决环境污染问题。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CO2资源化利用等方面。本文简要分析了二氧化钛光催化剂的特点及在环境中的应用。

标签：二氧化钛；光催化剂；环境；应用分析

二氧化钛本身具有反应条件温和，无毒，无二次污染等优点，且能够降解难降解的有机污染物，在处理水污染等其他环境污染方面比传统的工艺有明显的优势。也可以循环利用，极大降低了成本。所以二氧化钛成为处理环境污染问题中的新兴材料，对环境保护有重要的意义。

一、二氧化钛的特点

在已开发的光催化剂中，二氧化钛由于具有较高活性、优异的稳定性、超亲水性以及低成本、环境友好等优点，成为目前研究最为广泛的光催化剂。虽然对TiO2的研究报道很多，但TiO2在实际应用中的缺点和不足却是无法避免的，主要包括：①TiO2的禁带宽度较大，只能对波长在390nm以下的紫外光产生响应，使其对太阳光的利用率较低；②光生载流子的复合概率比较大，从而降低了TiO2的催化活性；③TiO2在液相反应中容易流失、较难分离。基于这些缺点，目前针对TiO2的研究主要集中于TiO2的负载和改性技术，如图1。

二、纳米二氧化钛光催化剂的应用

光催化剂对环境保护和节约能源具有重大意义，纳米TiO2 在废水处理、大气净化等领域应用也越来越广泛。

（一）二氧化钛光催化剂在气体净化中的应用

近年来，空气中有害物质的去除引起了人们的关注。由于大部分空气污染物（如醛、酮、醇等）较易被氧化，因此用氧化法去除空气中的有害物质具有一定的可行性。去除空气中污染物常用的多相催化氧化法大都需要在较高温度下进行，而光催化能在室温下利用空气中的水蒸气和O2去除空气污染物。利用二氧化钛光催化剂在光照条件下可将空气中的有机物分解为CO2、HO2及相应的有机酸。目前，国内外学者对烯烃、醇、酮、醛、芳香族化合物、有机酸、胺、有机复合物、三氯乙烯等气态有机物的二氧化钛光催化降解进行了大量研究，其量子效率（反应速率，入射光密度）是降解水溶液中同样有机物的10倍以上。另外，在二氧化钛光催化反应中，一些芳香族化合物的光催化降解过程往往伴随着各种中间产物的生成，有些中间产物具有相当大的毒性，从而使芳香族化合物不适于液相光催化反应过程，如水的净化处理。但在气相光催化反应中，生成的中

间产物挥发性不大，不会从二氧化钛表面脱离进入气相而造成新的污染，相反会进一步氧化分解，最终生成CO2和HO2。

（二）二氧化钛光催化剂在污水净化中的应用

1.废水处理

二氧化钛光催化剂在污水净化应用中的光催化反应的强氧化性能是其在水污染控制方面的技术优势所在。含卤衍生物如有机氯化物是水中最主要的一类污染物，毒性大，分布广，其治理是水污染处理的一个重要课题。光催化过程在处理有机氯化物方面显示出了较好的应用前景，目前关于这方面的研究已有许多报道，研究认为卤代烃、卤代脂肪酸等均可完全降解，氯酚、氯苯等经过一系列中间产物生成CO2和HCL。印染废水进入水体会造成严重的环境污染，其中有的还含有苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质。采用溶胶-凝胶和水热合成两种方法分别制备Fe元素和N元素掺杂改性的二氧化钛光催剂，结果表明，样品在紫外光和太阳光下降解印染废水中目标降解物亚甲基蓝效率均能达到95%。农药废水中含有机磷农药，三氯苯氧乙酸，DDVP，DTHP，DDT，三氮硝基甲烷等，毒性大，难降解，易生物积累。利用二氧化钛光催化去除农药虽然不能使所有的污染物最终达到完全矿化，但不会产生毒性更高的中间产物，这是其他方法无法相比的。采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管薄膜光催化剂，并用Au-Pd对其进行共修饰，以有机磷农药马拉硫磷为探针考察Au-Pd沉积对光催化剂活性的影响。光催化实验结果表明，Au-Pd共修饰二氧化钛纳米管薄膜光催化活性明显高于未经修饰的二氧化钛纳米管，反应速率常数提高1.72倍，单位级数能耗显著降低。

2.饮用水处理

目前地面水普遍受到污染，而常规的给水技术难以达到去除溶解性有机物的效果，由此造成饮用水中总是存在一定量的有机污染物。据报道，世界范围内饮用水中，已出现765种有机化合物，其中117种是属于致癌的或与致癌有关的物质。研究表明，二氧化钛光催化对这些微量有机污染物以及消毒副产物的前体物质如腐殖酸、酚类等的去除都有着显著的效果。研究者用溶胶-凝胶法研制的二氧化钛光催化反应装置成功地去除了水中挥发性有机物，而且可以完全将其矿化成为H2O，CO2。最近研究者用合成的具有层状结构的二氧化钛纤维作为光催化剂，在O3/Tio2/UV体系处理含有腐殖质的饮用水，1h后腐殖质去除率达97.1%。

（三）灭活细菌

二氧化钛在光照下对环境中的微生物具有抑制或杀灭作用，从而达到抗菌效果。在人们的居住环境中存在着各种有害微生物，对人类生活产生不良影响。家居环境中的一些潮湿的场合如厨房、卫生间等，微生物容易繁殖，导致空气菌浓度和物品表面菌浓度增大，对人的健康产生威胁。

（四）除臭

空气中恶臭气体主要有五种：①含硫化合物，如硫化氢、二氧化硫、硫醇类、硫醚类等；②含氮化合物，如胺类、酰胺等；③卤素及其衍生物，如氯气、卤代烃等；④烃类，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等；⑤含氧的有机物，如醇、酚醛、酮、有机酸等。以前普遍采用活性炭去除这些臭气，随着气体在活性炭表面的富集，其吸附能力明显降低，使其应用受到限制。而二氧化钛光催化剂吸附这些气体时，经紫外光照射气体分解后，又可恢复其新鲜表面，消除了吸附限制。近年来，采用二氧化钛光催化剂和气体吸附剂（沸石、活性炭、SiO2、Al2O3，等）组成的混合型除臭吸附剂已得到实际应用。

三、结束语

二氧化钛光催化作用在实际应用中还存在一些缺点和弊端，这就很大程度上限制了二氧化钛应用领域的推广。目前光催化氧化技术具有高效、节能、清洁无毒等突出优点，是一项具有广泛应用前景的新型环境污染处理技术。为了提高二氧化钛光催化剂及其在环境中的应用，广大研究者还需要进一步的深入研究。

参考文献：

[1]韩阳.MCM--41分子筛和ZSM一5/MCM一41复合分子筛的合成与表征及其作为TiO2：光催化剂载体的研究[D]3.燕山大学，2014.

[2]李慧芳.分子筛负载改性纳米Ti02的制備及光催化活性研究[D].中南大学，2014.