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1、纳米二氧化钛光催化性能的研究摘要：介绍实验室制备金红石型二氧化钛的一种方法，并通过XRD扫描分析其相态，经扫描电子显微镜观察所制备的二氧化钛的形貌和尺寸，最后在紫外光照射下研究其对有机物的降解。关键词：制备；TiO2：纳米材料；光催化。1、半导体光催化研究的历史早在1929年人们就知道了涂料的“钛白”现象，即涂料中的二氧化钛能使颜料褪色。后来的研究发现，造成这一现象的原因是TiO2的光敏化行为，即TQ2的光敏化引起油漆中有机物粘合剂的光降解，从而导致尤其涂料的不稳定。20世纪70年代和80年代，从半导体光电化学的发展所获得的知识为半导体光催化的发展奠定了很好的基础。尤其是它证明了二氧化钛能极好
2、的光催化分解污染物。1972年，日本Fujishima和Honda在Nature杂志上报道，发现在光辐射的TQ2半导体电极和金属电极所组成的电池中，可持续发生水的氧化还原反应，产生Ho这一发现非常有意义，表明通过半导体电极，可把光能转化为化学能。从那时起，来自化学、物理、材料等领域的许多科学家们围绕太阳能的转化和储存、光化学合成，进行大量的研究，探索该过程的原理，致力提高光催化效率。Fujishima和Honda的研究工作引起了人们对半导体在光作用下能否用于污染控制的兴趣，而半导体光电化学的研究结果为开展这一工作奠定了基础。从七十年代初期以来，国外许多学者竞相开展这方面的研究。1976年，J.
3、H.Cary报道了TiO?水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯，注意到TiO2水体系在光照条件下可非选择性氧化(降解)各类有机物，并使之彻底矿化，生成CO和fQ同年S.N.Frank等研究了多晶电极/筑灯作用下对二苯酚、I-、Br-、Cl、Fe2CeT和CN的光解和用粉末来催化光解水中污染物取得了满意的结果。S.N.Frank等在1977年乂用TiO?、ZnOCdSFeaoWG等多种催化剂在显灯作光源情况下，对CN和SO32进行光解研究,结果TiOaZnOCdS能有效催化氧化CN-为CNO-TiCKZnOCdS和FeO能有效催化氧化SO?为SQ2-,其反应速度均大于3.1x10-6mol/
4、(dcn,)o八十年代中期开始，我国学者也开展了半导体光催化的研究。各国环境科学工作者在这一领域进行了广泛而深入的探索，取得了许多可喜的成绩，并在环保方面得到了应用。大量研究证实，烧类和多环芳荒、卤化芳烧化合物、染料、表面活性剂、农药、油类、氨化物等都能有效地进行光催化反应，脱色、去毒，矿化为无毒无机小分子物质，从而消除对环境的污染。在二十多年的时间内，国际上就半导体（主要是TiO2）光催化问题召开过多次学术会议，举行过高级研讨班和专题研讨会，出版了专著，发表的研究论文更是不计其数。半导体光催化是目前光化学方法应用于污染控制的诸多研究中最活跃的领域，成为污染控制化学研究的一个热点，形成了新的研
5、究领域。目前，国内外研究者就半导体光催化诸多方面的问题开展了深入地研究，其主要内容有：半导体光催化材料的筛选、制备，半导体光催化活性产生的机制及所产生的活性物种，Tid光催化剂的固定化及尺寸量子化，半导体光催化矿化各种有机物的机理，各种形式的半导体光催化反应器，水中和气相中各种污染物光催化降解动力学等。至今，已研究过的半导体光催化剂包括TQ、CdSWOFeO.ZnOZnSSnO等，其中CdSTid催化活性最强，但CdS在光照条件下自身不稳定易发生化学或光化学腐蚀，而Tid的化学性质比较稳定且成本低、无毒、催化活性高、氧化能力强最为常用。但由于TiOz吸收的太阳能仅占总太阳能光强的3%因此，围绕
6、TiCh改性、提高太阳能的转化率、改进光催化方法和光反应器，提高光催化效率，仍然是广大研究者进行的一个课题。2、二氧化钛半导体光催化材料研究的目的和意义新型纳米二氧化钛光催化材料的合成及反应研究，随着全球工业化进程的不断发展，环境污染问题日益严重，环境保护和可持续发展成为人类必须考虑的首要问题。光催化技术作为绿色化学的一个代表是近三十年以来发展起来的新兴研究领域。大量研究表明，水和空气中各种有毒有害的污染物，化工生产中排放的各种烷烧、芳燃及其衍生物、卤代物、多环芳荒和杂环化合物等大都能被光催化降解。把纯洁无污染而乂取之不尽的光能的应用与环境保护结合起来的光催化剂和反应设备用来降解工业废水中有毒
7、、有害、难分解的有机物的研究具有深远的战略意义，半导体光催化材料也成为科学家们研究的重点。二氧化钛纳米二氧化钛多相光催化降解有机污染物以其反应速度快、适用范围广、深度氧化完全、能充分利用太阳光和空气(水相中)的氧分子等优点而倍受青睐，特别是当有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时，这种技术有着更明显的优势。二氧化钛光催化技术的研究在最近10年得到了较快的发展，然而总体上仍然处于理论探索和实验室阶段，尚未达到产业化规模。光催化技术可利用太阳能降解有机物，无二次污染，反应条件温和，具有能”和环保”双重重要意义。TQ2作为一种半导体光催化剂，因其具有氧化能力强，物理化学性质稳定，无毒、价格低廉等优
8、点，在环境净化领域一直处于研究的核心地位。然而TQ2因其只能利用紫外光，导致材料本身在太阳能利用方面效率偏低，以及光生电子空穴容易复合，是制约其在实际应用中的关键。如何使光催化剂有效利用太阳能和提高电子空穴分离效率来提高光催化活性一直被广大学者所关注。自然界存在的二氧化钛有三种变体：金红石(rutiletitaniumdioxide)为四方晶体；锐钛矿(anatasetitaniumdioxide)为四方晶体：板钛矿为正交晶体。见图2.1H.593A税师型图2.1二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力和铅白相似，但不像铅白会变黑；它乂具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用
9、作搪瓷的消光齐IJ,可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。钛的氧化物一一二氧化钛，是雪白的粉末，是最好的白色颜料，俗称钛白。以前，人们开采钛矿，主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，法琅、陶土、耐高温的实验器皿等。二氧化钛是世界上最白的东西，I克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一锌银白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大10倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要
10、加二氧化钛。此夕卜，为了使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。金红石型在高能(较短波长)吸收辐射能较锐钛型大，换句话说，对于金红石型钛白粉，在具有很强杀伤力的UV-波长段内(350-400nm),它对紫外线的反射率要远远低于锐钛型钛白粉，在这种情况下，它对周围的成膜物、树脂等身上所要分担的紫外光线就要少得多，那么这些有机物的使用寿命就长，这就是说，为什么通常所说的金红石型钛白粉的耐候性要比锐钛型好之原因所在。本实验就是通过一种简单的方法制备出金红石型二氧化钛，并研究起催化性能。3、二氧化钛光催化的应用纳米二氧化钛由于具有良好的
11、光催化性能，在抗菌除臭、污水处理、空气净化等方面有广阔的应用前景。TiO2是N型半导体金属氧化物，在同类（如ZnO、CdSWQ等）物质中具有氧化活性好、稳定性强、无毒等优点，是一种绿色环境友好型材料。制备出具有较高催化活性和能够被可见光激发的纳米二氧化钛光催化剂，一直是光催化研究的前沿和重要方向。纳米Ti02在环境保护中的应用纳米Ti02在光催化下，其价带上的电子吸收光能，被激发到导带上，在导带上产生带负电荷的高活性电子（e-）,在价带上产生带正电荷的空穴（h+）,形成氧化一还原体系，该体系可以氧化或还原包括微生物在内的多种有机物、无机物及金属离子，因而在环境领域得到广泛的应用。3.1 制备环
12、保材料3.1.1 制备抗菌材料纳米Ti02不仅能杀死细菌，而且同时降解由细菌释放的有毒化合物，从而彻底杀灭细菌，可用来制备抗菌材料。日本在这方面研究较多，如神户制钢所开发了具有抗菌、防污、防臭的钛建材。国内也有这方面的研究报道，如徐瑞芬等将纳米TQ2添加于苯丙乳液中，研制成抗菌涂料，杀菌结果表明，该抗菌涂料对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽抱的杀菌率达到99%以上，并且不受光源条件限制，抗菌作用彻底、持久。纳米TQ2抗菌材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室的装饰方面有广泛的应用前景。3.1.2制备自洁材料由于纳米Ti02的超亲水性，因而镀有纳米Ti02薄膜的表面一旦被油污等污染，污染物不易
13、在其表面附着，且阳光中的紫外线维持纳米TQ2薄膜表面的亲水性，从而使其表面有长期的防污自洁效应，可用来制备自洁材料。贺飞等制得透明均一、无彩虹效应”的纳米TQ2光催化薄膜型自洁功能陶瓷，实验证明，这种陶瓷具有强去污功能。3.2污水处理3.2.1处理废水中的有机污染物3.2.L1处理印染废水印染废水通常含有芳香基、胺基、偶氮基等致癌物质，采用一般生物化学法降解率通常很低。大量研究发现，用纳米TQ2光催化降解染料，不仅能有效破坏染料中的发色基，而且可以破坏染料分子中的芳香基，达到完全降解的目的。陈梅兰用锐钛型纳米TiO2为催化剂降解次甲基蓝染料，研究结果表明，在光照30min,TQ2用量5.4mg
14、/mL时，降解率达94.7%o3.2.1.2处理农药废水研究表明，用纳米TiO2降解农药是一条非常有效的处理途径。如陈士夫用玻璃纤维负教TQ2降解有机磷农药，结果表明，有机磷可以完全无机化，并定量产生P04军;霍爱群等用纳米TiO2膜降解阿特拉津除草剂，在溶解氧的条件下，其降解率可达98%。3.2.1.3处理水面石油污染物由于石油类有机污染物不溶于水而漂浮在水面，TQ2的密度远大于水，会沉于水底。为了使TQ2能漂浮在水面上与石油类污染物充分接触进行降解反应，需要将它负教在一种密度小于水，能使O2TQ2良好附着且不被TQ2光催化的载体上。目前的做法主要是将其负教在空心玻璃球上。3.2.1.4处理
15、日常生活废水日常生活废水中含有大量的表面活性剂，这种废水不但容易产生异味和泡沫，而且还会影响废水的生化。表面活性剂不但很难降解，有时还会产生有毒或不溶解的中间体。研究证明，采用纳米TQ2催化剂分解表面活性剂可以取得较好的效果。虽然表面活性剂中的烷基链较难完全被纳米TiO2催化剂氧化成C02,但表面活性剂中芳环的破坏，可以大大降低其毒性，对环境危害明显减小。3.2.1.5处理垃圾填埋场的渗滤液从垃圾堆放场流出的渗滤液可以渗透到地下，对地下水造成严重的污染，所以对垃圾堆放场渗滤液的污染处理是环境处理的一个重要方面。谭小萍将纳米TQ2用于垃圾填埋物渗滤液的深度处理，其处理的水质达到国家一级排放标准3
16、2o这说明用纳米TQ2处理垃圾填埋物渗滤液是十分有效的。3.2.2处理废水中重金属污染物利用纳米TQ2的强氧化、还原性，还可以处理废水中无机污染物，如含氧溶液中Hg%Pb2可被c还原成Hg、Pb而沉积于TQ2表面,C12。公可被还原成无毒的CS03,、Pb巴M门2等可被氧化成相应高氧化态金属氧化物而沉淀下来；N6.是一种可致癌的危害性大的环境污染物，且在低浓度时不易消除、比较稳定，而用改性的纳米TiO2进行光催化降解，其降解率可达99.5%o3.3空气净化3.3.1净化室内空气室内有害气体这些有害气体主要来自装饰材料等放出的中醛及生活环境中产生的中硫静、硫化氢、氨气等。利用TiO2的光催化作用，将吸附于其表面的这些物质分解、氧化，从而使这些物质降解或除去。如浓度低于1ppm的甲醛
