二氧化鈦光催化劑改性研究進展

吳琪(西藏大學理學院，西藏自治區(qū)西藏拉薩850000)

二氧化鈦光催化劑改性研究進展

吳琪(西藏大學理學院，西藏自治區(qū)西藏拉薩850000)

TiO2光催化材料，因為其具有較高的催化活性，穩(wěn)定的化學性質(zhì)，成為當前的研究熱點。本文重點探討了改性TiO2光催化劑的研究進展，對金屬摻雜、復合半導體、貴金屬沉積、光敏化等四種方法分別進行深入的分析研討。研究結(jié)果表明這四種方式都能有效地提高二氧化鈦的光催化活性。

TiO2；光催化；光催化改性

1972年，F(xiàn)ujishima和Honda[1]發(fā)現(xiàn)光電池中光照射的TiO2可持續(xù)發(fā)生水的氧化還原反應產(chǎn)生H2。這一開創(chuàng)性的工作標志著以TiO2為代表的半導體光催化劑開始發(fā)展起來。TiO2獨特的光學性能，電學性能以及催化性能，使其在污水處理、空氣凈化、光解水制氫和染料敏化太陽能電池等領域具有廣泛的應用前景。

半導體的光催化特性是由它的特殊能帶結(jié)構(gòu)所決定。但是，TiO2具有較大的禁帶寬度(3.2 eV)，只能吸收波長λ≤387nm的紫外光，不能有效地利用太陽能，光催化或能量轉(zhuǎn)換效率偏低，使它的應用受到限制。因此對TiO2的改性研究，通過調(diào)控禁帶帶寬的調(diào)控，擴大它的光響應范圍，仍是十分重要的研究課題。目前，TiO2光催化劑的改進方法有很多，比如貴金屬沉積、離子摻雜、半導體復合、表面修飾等。

1 金屬離子的摻雜

金屬離子的摻雜本質(zhì)上是通過把一定量的雜質(zhì)離子（主要指的是過渡金屬離子和一些稀土離子，如摻雜Zn,Fe,Mo,Ru等）引入到TiO2晶格的中間，從而來影響TiO2內(nèi)部載流子的一系列過程，來改變TiO2的光催化效果。由于鈦元素屬于過渡金屬元素，容易形成光生電子空穴對的淺勢捕獲阱，有效的降低了電子和空穴的復合概率。

2 復合半導體

半導體的復合利用兩種不同的半導體的能級差可以有效的提高電荷分離，即利用窄帶隙的半導體敏華寬帶隙的半導體TiO2，從而擴展TiO2的吸收光譜范圍。在光照的激發(fā)下，復合的窄帶隙半導體受光激發(fā)時，半導體與TiO2同時產(chǎn)生電子躍遷。由于光子的能量比TiO2中的禁帶寬度小，卻比復合的窄帶隙半導體的禁帶寬度大，使得光生電子聚集在TiO2的導帶，而空穴則留在復合半導體的價帶中，這種電子的遷移，十分大的程度上降低了光生電子空穴的復合概率，進而提高了材料的光催化效率。常見的半導體復合體系有ZrO2/TiO2,WO3/TiO2,CdS/TiO2,SnO2/TiO2等。

3 貴金屬沉積

金屬與半導體具有不同的費米能級,貴金屬沉積在TiO2表面能夠改變TiO2的電子分布。通常，貴金屬的費米能級要比TiO2的費米能級高，為了使兩者混合時費米能級能夠保持一致，維持系統(tǒng)的平衡，所以費米能級低的TiO2中的電子會持續(xù)向更高的費米能級移動，直到貴金屬的費米能級和TiO2的費米能級不存在能級差。貴金屬和TiO2混合會形成一種空間電荷層，電荷層中電子將會向貴金屬表面移動，吸附氧速率也因載流子的速率提高而得到了相應的提高。

4 表面光敏化

在TiO2中摻雜了一定量的光活性化學物質(zhì)，擴大二氧化鈦激發(fā)波長的范圍。因此常常通過物理或者化學的方法在TiO2表面添加光敏化劑,這些物質(zhì)在可見光下的激發(fā)態(tài)電勢比TiO2導帶電勢更負,激發(fā)產(chǎn)生的電子進入TiO2導帶,在TiO2中產(chǎn)生載流子的過程。通過物理吸附方法或者化學吸附的方法，使光活性化合物吸附在催化劑的表面從而使吸收波長范圍發(fā)生紅移，這個過程就是催化劑的表面光敏化。表面光敏化的催化劑目前有勞氏紫、葉酸綠、玫瑰紅、曙紅、釕吡啶類絡合物等。

5 結(jié)語

二氧化鈦光催化劑具有強氧化性，能處理有機污染物，在環(huán)境處理方面有十分出色的效果，這使得二氧化鈦具有非?？捎^的前景，吸引了廣泛的關注研究。但是如何提高TiO2的光催化效率，降低環(huán)境治理的成本是十分重要的問題。

目前研究TiO2光催化劑改性的方法及改性的機理具有重要的理論和實踐意義。進一步研究工作的應當從以下幾個方面考慮:(1)進一步研究如何在利用太陽光的同時提高光量子效率;(2)進一步提高TiO2光催化劑的回收利用率；(3)嘗試新的修飾體系，如嘗試石墨烯或者氧化石墨烯等材料修飾。

致謝

本工作由西藏大學青年科研培育基金項(CO小分子在氧化鈦納米團簇表面的催化機理研究，ZDPJZK1501），西藏大學高層次人才引進科研啟動基金(過渡金屬氧化物團簇催化性質(zhì)的研究)，西藏自治區(qū)高校青年教師創(chuàng)新支持計劃(西藏太陽能高效利用的光電轉(zhuǎn)換材料的基礎研究，QC2015-24）資助。

[1]高麗麗，于小迪，劉麒等，改性TiO2光催化氧化在水處理中的研究進展[J].環(huán)境科技，2013,26(5)：63-66.

[2]陳印，馬曉軍等，改性TiO2負載活性碳纖維的研究進展[J].生物質(zhì)化學工程，2014(4)：40-44.?

吳琪（1988-）女，漢，山東省濟寧市人，博士，講師，研究方向：材料物理。