TiO2光催化剂的改性与影响因素研究

TiO2光催化剂，作为一种宽禁带半导体，在纳米催化剂的研究中具有特殊的地位。TiO2因其无毒、稳定性良好以及强氧化能力和高催化活性，在多个工业领域有着广泛的应用，例如废水处理、有害气体净化、食品包装、化妆品制造、建筑材料、纺织品、涂料、太阳能储存与转换以及光化学转换等方面。TiO2光催化剂的主要工作原理是光催化氧化，它能够借助光能激发催化剂表面电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。这些电子-空穴对分离后，迁移到催化剂表面的不同位置，并参与氧化还原反应，特别是氧化反应，产生极强的氧化剂——羟基自由基·OH，这种自由基可以有效地氧化分解水中的污染物。 TiO2主要具有两种晶型：锐钛型和金红石型。锐钛型的光催化活性较高，比表面积较大，电子和空穴的复合几率较低，因此具有较高的催化活性。金红石型则因对氧气的吸附能力差、比表面积小，电子和空穴容易复合，导致催化活性较低。 在TiO2光催化剂的改性研究中，掺杂是最常见和有效的改性方法之一。掺杂是指在TiO2的晶格中引入其他物质的原子，通过替换或占据晶格位置，来改善TiO2的电子结构和催化性能。掺杂后的TiO2晶格缺陷能够成为电子-空穴的有效分离中心，抑制它们的复合，从而提高催化剂的活性。金属离子的掺杂，如铁、锰、钒等过渡金属离子，可以有效提高TiO2在可见光下的催化活性。例如，Iwasaki等人通过Co2+掺杂形成的催化剂在可见光下可以快速矿化分解乙醛，并且在紫外线激发下的催化活性也得到增强。Yamashita等人采用金属离子注入法，将铁、锰、钒等金属离子注入TiO2体相，并在高温烧结后制得催化剂，其激发波长达到600nm，催化剂活性与Fe的掺杂量密切相关。 除了晶型和掺杂以外，晶体结构中的晶格缺陷、晶面的选择性以及比表面积等因素都会影响TiO2的光催化效率。比如，晶体中的微量杂质元素掺入可以形成杂质置换缺陷，这些缺陷可形成活性中心，提高反应活性，但也可能导致电子-空穴复合中心的形成，从而降低催化效率。因此，在改性过程中要控制晶格缺陷的种类和数量，以确保提高催化性能。 TiO2的光催化活性除了受到上述因素的影响外，还与其光响应范围有关。由于TiO2的光响应范围较窄，主要是紫外线区域，这限制了对太阳光的有效利用。为了扩展其光响应范围至可见光区域，研究者通过改性手段如掺杂、复合半导体、构建核壳结构等方法，试图降低其禁带宽度，提高光催化效率。 TiO2作为一种光催化剂，在环境治理和新能源开发领域具有潜在的广泛应用价值。通过对TiO2的改性研究，可以显著提高其光催化效率和应用范围，更好地满足人们对于清洁能源和环保技术的需求。