1、 学号： TiO2光催化活性研究专 业 名 称： 化 学 姓 名： 指 导 教 师： 年 月 日河南教育学院自考助学毕业论文1目录摘要 11 前言 42 二氧化钛光催化剂的制备及催化机理 42.1 TiO2光催化剂的制备方法 42.2 TiO2光催化反应机理 .53 提高 TiO2光催化活性的途径 73.1 金属离子掺杂及其对催化剂活性的影 响 .83.2.非金属离子掺杂 93.3 复合半导体 .103.3 染料光敏化 .114 展望 .115 参考文献 .126 致谢 .142摘 要TiO2具有无毒、化学性能稳定、价格便宜和不产生二次污染等特点，被认为是最有应用前景的光催化剂。但 TiO2的
2、吸收光谱在紫外光区，对太阳光的利用率低，影响了TiO2光催化技术的应用。对 TiO2进行改性提高它在可见光区的光催化活性是近十几年研究的热点，目前 TiO2可见光化的研究取得了一定进展，金属离子掺杂、非金属离子掺杂、离子注入以及染料光敏化等方法都不同程度地实现了 TiO2可见光化。本文综述了目前的研究现状，并对今后的研究提出了展望。关键词：TiO 2光催化剂 可见光 改性 掺杂 非金属 金属3AbstractAt present, photo-catalyst TiO2 is considered the most application prospect because of its no-
3、toxicity, chemical stability, inexpensiveness and non-secondary pollution. Its the research hotspot that modifying TiO2 in order to improve its photo-catalytic activity and absorbability in visible light irradiation. Recently, the progress has been made in the area of extending the light absorption
4、of titanium dioxide into visible light region by metal cation doping, metalloid anion doping, ion implantation and photosensitization. The modification methods to enable titanium dioxide to operate under visible light are dealt within this review.Keywords: TiO2 photo-catalyst, visible light modifica
5、tion, doping, nonmetal, mental41 前言随着经济的发展，环境污染越来越受到重视，治理环境污染刻不容缓，防止环境污染，保护生态平衡受到高度重视。近 20 年来，半导体纳米二氧化钛以其廉价无毒、抗光腐蚀、催化活性高、氧化能力强、定性好等优势在光催化降解和消除环境污染物领域备受人们的关注。TiO 2在治理环境污染方面应用广泛， TiO2能够把多种有机污染物光催化降解为无毒的小分子化合物，如水、CO 2、无机酸等；能有效去除溶液中的重金属离子；水光解为 H2和 O2来获取氢能；应用于太阳能电池把太阳光能有效的转换为化学能。但是TiO2是宽禁带(Eg=3.2eV)半导体化合
6、物，只有波长较短的太阳光能(387nm) 才能被吸收，而这部分紫外线(300400nm)只占到达地面上的太阳光能的 4%6%，太阳能利用率很低。而可见光占太阳光能总量的 45%，因此缩短 TiO2催化剂的禁带宽度，使其吸收光谱向可见光范围扩展是提高太阳能利用率的技术关键。因此，目前对二氧化钛的表面修饰、敏化改性研究也日益活跃，其目的寄希望于改善二氧化钛的表面结构、酸性或吸附性能，引入缺陷位或改变结晶度抑制光生电子和空穴的复合，扩展光激发响应范围，提高光量子效率和光能利用率，从而实现 TiO2可见光下的催化能力，达到治理污染，改善环境之目的。本文从金属离子掺杂、非金属离子注入、半导体复合以及染料
7、敏化几个方面综述了 TiO2可见光化的研究途径和研究进展。2 二氧化钛光催化剂的制备及催化机理2.1 TiO2 光催化剂的制备方法纳米 TiO2的制备一般可分为气相法和液相法，通常以 TiCl4、钛的醇盐,Ti(SO 4)2或TiOSO4等为原料。气相法具有快速形成锐钛矿型、金红石型或混合晶型 TiO2的优点，且后处理简单，连续化程度高，特别适合工业化大规模生产，但它对设备和技术要求高,生产出来的粉体粒径相对较大。液相法具有操作简单、对设备要求不高等优点，比较适合5实验室制备，但其周期长，三废量大，若以钛的醇盐为原料则成本高昂。气相法是通过在高温氧化 TiCl4制备 TiO2。Degussa
8、P25 TiO2就是用气相法制备，平均粒径在 20nm 左右,比表面积为(5015)m2g-1。气相法包括等离子体法、化学沉积法、溅射法、气相水解法。施利毅等 1在高温管式气溶胶反应器中，利用 TiCl4气相氧化制备纳米 TiO2粉末，并考察了停留时间和反应温度对粒子形态的影响，发现 TiO2粒度随着停留时间的延长和反应温度升高而增大，金红石型含量随停留时间延长而增加，当反应温度达到 1300时，其含量出现最大值。制备负载型 TiO2多采用化学沉积法和溅射法。液相法一般是将 TiCl4或钛的醇盐水解生成 TiO2水合物，再制得纳米 TiO2。其方法包括水解沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法。溶胶-凝
9、胶法以其工艺简单、制备条件温和、所得光催化剂具有较高的光催化活性被列为目前最常用的方法。2.2 TiO2 光催化反应机理TiO2是一种 N 型半导体材料，它的光催化活性高，反应速率快，对有机物的降解无选择性且能使之完全矿化。它的能带结构一般由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，它们之间由禁带分开，禁带宽度称为带隙能。TiO 2的带隙能 Eg = 3.03.2eV，相当于387.5nm 的光子能量。当能量等于或大于 TiO2的禁带宽度的光照射 TiO2时，价带电子被激发，越过禁带进入导带，在导带上产生带负电的高活性电子(e -)，同时在价带上留下带正电荷的空穴(h +)，形成电子空穴对（h +
10、- e-） 。在电场作用下电子与空穴分离并通过扩散的方式迁移至 TiO2表面的不同位置，与吸附在 TiO2粒子表面的物质发生氧化还原反应。光生电子和空穴分别具有强的还原性和氧化性，光生电子被吸附在 TiO2表面的氧俘获形成 O2-或 O-活性氧类，这些活性氧自由基也参与氧化-还原反应。空穴则被将吸附在 TiO2表面的 OH-或 H2O 捕获形成具有强氧化性的羟基自由基 OH，它几乎可以把许多难以降解的有机污染物氧化为 CO2和 H2O 和简单的无机物，是光催化体系中主要的氧化剂， OH能与电子给体作用将其氧化，e -能与电子受体作用将其还原，同时 h+能直接与有机物作用将之氧化，光催化原理如图
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