纳米二氧化钛光催化降解有机物研究发展

纳米二氧化钛光催化降解有机物研究发展
1 基本原理
1．1纳米微粒的基本理论
纳米材料是指尺寸为纳米级的超细材料。

它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒。

由于纳米TiO2特有的处于宏观和微观的之间的介关层次，使其具有不同于常规材料的物理化学性质。

其中就有光催化降解有机物。

1．2纳米TiO2的光催化特性
1.2.1 光催化化学反应机理
由于TiO2晶粒是一种禁带宽为3.2eV的宽禁带半导体，由填满电子的低能价带和空的高能价带构成。

当光照射在TiO2晶粒表面时，能量大于或等于3.2ev的光子可激发价带电子想导电跃迁，形成电子的一空穴对。

活泼的电子的空穴可以分别从半导体的导带和价带迁移至半导体吸附物界面，而且越过界面，使被西服的物质氧化和还原：同时也存在电子空穴的复合。

当周围介质中存在合适的俘获剂或缺陷时，电子和空穴的符合受到控制，就会在表面发生氧化还原反应，价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，大多数光催化剂都是直接或间接的利用空穴的氧化能力。

在光催化半导体中，空穴具有更大的反应活性，是携带光电子能的主要部分，在水和空气体系中，可以于表面吸附的H2O 和OH-离子反应形成具有强氧化性的羟基。

表面羟基是光催化反应的强氧化剂，对催化氧化起决定性作用。

电子与表面吸附的分子氧反应，分子氧不仅参与还原反应，还是表面羟基另一个来源。

一方面，电子通过与分子氧反应形成超羟基，有机物被空穴或羟基氧化后在与分子氧反应形成有机样机，相对不活泼的超氧基与有机过氧基合并生成不稳定的有机四氧基，最终分解为CO2和H2O和无机小分子。

另一方面，表电子具有超强还原能力，可以除去水体系中的重金属因子。

氧的存在对半导体催化至关重要，没有氧的存在时，半导体的光催化活性则完全被抑制，通常，氧气起着光生电子的清除剂或引入级的作用。

半导体光催化反应的能力尤其能带位置及被吸附物质的还原点失所决定，同是也于晶体结构，晶格缺陷，晶粒尺寸的分布，黥面状态以及制备方面等诸多引述有关，其光谱响应与近代宽度有关。

TiO2因其较宽的禁带宽度，只有坡长较短紫外线才能激发其电子跃迁，产生光催化作用，而波长较长的可见光和红外光不能使之具有光催化效应。

1.2.2 纳米TiO2结构对光催化特性的影响
二氧化钛有3中晶型，即锐钛矿型、金红石型和板钛矿型，其中锐钛矿型的催化活性较高。

前两种晶型同属四方晶系都可用相互连接的TiO2八面体表示、二者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同，而正是这种结构上的差异导致了这两种晶型有不同的质量密度和电子能带结构。

锐钛矿型的质量密度（3.894）略小于金红石型（4.250）带隙（3.3eV）略大于金红石型（3.1eV）。

金
红石型TiO2对O2的吸附能力较差，比表面积较小，因而光生电子和空穴容易符合，催化活性收到一定的影响。

另外，Salvador等研究了金石星TiO2晶格缺陷对光催化的影响，认为氧空位的存在有利于将H2O氧化为H2O2的活化中心，其原因是存在氧空位导致键间距的不同，其吸附的活性羟基的反应活性増加，从而使反应速率也增大。

除晶体结构多TiO2的光催化活性有重要影响外，从而反应机理考虑TiO2的光催化活性主要受复合中心和表面积两个因素控制。

由于光催化活性反应是有光电子和空穴引起的氧化还原反应，在催化剂表面不存在固定的活化中心，因此，表面积是决定反应基质吸附量的重要因素，在晶格缺陷等其他因素相同的情况下，表面积越大则吸附量越大，活性就越高，由此，纳米二氧化钛具有比常规二氧化钛更为优越的光催化特性。

2纳米TiO2在光催化方面的应用
2.1 有机物的光催化降解
纳米TiO2在降解有机物水处理方面有以下优点：（1）具有巨大的比表面积，因而具有与废水中有机物更大的接触，可将有机物最大限度地吸附在它的表面；（2）具有更强的紫外光吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，可快速将其表面的有交际舞分解掉。

TiO2光催化反应的实质是将难降解的有机物污染物和农药残留物通过光催化反应降解为CO2，H2O和其它小分子无机物，从而实。