1、,TiO2的结构性能及应用,导 师：cc授 主 讲 人： cc,目 录,TiO2晶体结构,TiO2光催化性及超亲水性,TiO2能带结构,TiO2的应用,1.1 TiO2晶体结构, 二氧化钛（化学式： TiO2 ）晶型有三种：板钛矿、锐钛矿、金红石 TiO2的晶体结构取决于TiO6八面体是如何连接的,图1 TiO6八面体的连接方式, 锐钛矿结构是由TiO6八面体共顶点组成，而金红石和板钛矿结构则是由TiO6 八面体共顶点且共边组成。,a 共边,b 共顶,- 1 -,金红石结构为四方晶系一个晶胞分子数为：2O2- 作变形的六方紧密堆积Ti4+填充于八面体空隙中占空隙的1/2O2- 配位数：3,形成
2、OTi3平面三角元Ti4+配位数：6，形成TiO6八面体,1.2 金红石型晶体结构,图2 金红石的晶体结构,板钛矿的晶体结构与金红石的晶体结构类似，锐钛矿由于TiO6八面体的畸变最大，对称性高于板钛矿，而产生不同的性质。,- 2 -,金红石型的TiO2在三种晶型结构中最稳定，其相对密度和折射率较大，具有很高的分散光射线的本领和很强的遮盖力和着色力,锐钛矿型结构不如金红石稳定，但其光催化活性和超亲水性较高，常用作光催化剂,板钛矿型结构最不稳，是一种亚稳相 ，很少被直接应用,1.3 TiO2性质,- 3 -, TiO2是一种宽禁带半导体，有能带结构一般由填满电子的低能价带(VB)和空的高能价带(C
3、B)构成，价带和导带之间存在禁带，如图3。,2.1 TiO2能带结构,图3 能带结构,- 4 -, TiO2半导体的禁带宽度较大，金红石型TiO2的禁带宽度为3.0ev，锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2ev, 半导体的吸收阈值g与禁带宽度Eg有密切的关系，关系式为：g(nm)=1240/Eg(ev)根据公式，锐钛矿对应催化所需入射的最大波长为387nm。 半导体的禁带宽度越大，则对应产生的光生电子和空穴的氧化还原电极电势越高。 TiO2的能带位置与被吸附物质的还原电势，决定了其光催化反应的能力。,2.2 TiO2能带结构,- 5 -, TiO2是一种n型半导体，其光催化能力可以用能带结构来解
4、释。,3.1 TiO2光催化性,图4 光催化机理示意图,当用小于或等于387nm的紫外光照射锐钛矿TiO2时，价带上的电子（e-）将被击激发迁跃至导带，并在价带上产生相应的空穴（h+）形成光生电子-空穴对（e-h+）。这些光激发产生的电子-空穴对有的在短时间内发生了复合，有的在能量的作用下分离并迁移到 TiO2表面的各个位置，与吸附在表面的物质发生了氧化还原反应。其反应机理如图4。,- 6 -,3.2 TiO2光催化性, TiO2具体的光催化机理如下：,- 7 -,概述：紫外线照射TiO2薄膜使其产生了超亲水特性，将其放在黑暗中较长一段时间，水接触角变大，逐渐趋向疏水状态，重新用紫外光照射，薄
5、膜又变为亲水状态。,3.3 TiO2超亲水性, 最初认为，TiO2薄膜表现出超亲水性是因为薄膜表面吸附有机物分子的光催化分解反应而产生。,有机物属于疏水性物质，TiO2薄膜本身的化学吸附是亲水性，而吸附空气中的疏水性有机物表现出疏水性。然后，经过紫外光照射，表面的疏水性有机物被分解，从而薄膜重新表现出超亲水性状态；停止照射后，薄膜又会继续吸附空气中的有机物而表现出疏水性状态。,- 8 -,现在研究表明，光致超亲水现象是 TiO2表面本身光诱发的另一种反应。其机理如图5。,3.4 TiO2超亲水性机理,图5 TiO2薄膜光诱导超亲水机理,- 9 -,01,抗菌除臭:光催化剂对大多数细菌都有抑制和
6、灭杀作用，如大肠杆菌等,02,降解有机物：分解废水中大量有机物，如染料、 烷烃、表面活性剂等。,03,04,废气净化：利用TiO2光催化氧化反应，可将汽车尾气排出的NOx或SOx进行无害化分解,05,光解水制备氢气,4.2 TiO2材料光催化性的应用,-6-,还原降解重金属离子：TiO2表面的光生电子还原与其接触的重金属离子，以达到还原降解的目的。,- 10 -,4.1 TiO2材料超亲水性的应用,由于TiO2材料超亲水性能，使其具备防雾自洁的功能，因而被广泛的应用。,02,在不方便清洁的建筑物玻璃、外墙或者汽车玻璃等方面等上应用，将 TiO2超亲水薄膜应用到这些玻璃上，可以有效发挥其防雾功能，减小人们的困扰。,- 11 -,水热法,液相法,溶胶凝胶法,非水解溶解凝胶法,化学沉淀法,气相法,化学气相沉积法,物理气相沉积法: 磁控溅射、直流溅射法及过滤弧沉积等方法,二氧化钛材料制备方法,5.1 TiO2材料制备方法,- 12 -,谢谢大家,请老师同学们批评指正!,
