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提高環境凈化材料TiO2光催化性能的研究現狀 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-06-10 11:52:57 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/文龍)從1972年,人們發現受輻照的TiO2上可以持續發生水的氧化還原反應,并產生氫以來,TiO2就因其穩定性好,成本低,易摻雜改性等優點,被認為是一種理想的光催化材料,也是一種極具應用潛力的環境凈化材料,從而得到了廣泛的研究與應用。
TiO2最為重要性能之一就是其光催化性能,而制備高活性TiO2光催化劑的突出問題主要有兩個,一是如何減少光生電子、空穴的復合幾率;二是如何更多更好地利用太陽能。因此,近年來的發展都是從這兩個方面入手,對TiO2進行修飾的。目前,提高TiO2光催化性能的主要方法包括金屬離子摻雜、貴金屬摻雜、制備復合催化劑及半導體表面敏化等,下面就就要概述這些研究進展。
1. 金屬離子摻雜
科學家對21種金屬離子摻雜TiO2的光催化效率進行了系統研究,發現其中Fe(III)、Mo(v)、Ru(III)、Os(III)、Re(V)、V(IV)和Rh(III)以0.5%的水平摻雜(Mo(v)為0.1%),對TiO2光催化作用都有不同程度地提高。其中,提升最大的是Fe(III)摻雜的TiO2對CCl4和CHCl3的降解率。同時,用激光、閃光光解測定發現,Fe(III)、V(IV)、Mo(v)和Ru(III)摻雜后的TiO2樣品中,光生電子的壽命升到了50ms,而在未經摻雜的樣品中其壽命小于50μs。也有人做了Fe(III)對TiO2進行摻雜的研究,發現這種摻雜可以增大量子效率和抑制電子空穴的復合,對光降解N2和甲基藍都有很好的效果,但對酚類降解效果則不明顯。
2. 貴金屬摻雜
在TiO2貴金屬摻雜的研究中,多數屬于VIII金屬,如:Ag、Au、Pt、Pd、Nb等。貴金屬摻雜可提高TiO2光催化效率的原因可能是,分散在TiO2表面的金屬對光生電子有較強的吸引力,有利于光生電子向TiO2表面遷移,從而阻止了電子和空穴的復合。有科學家用載Ag、TiO2光催化劑降解2,4-二氯苯酚水溶液,其降解效率為純TiO2的1.9倍。同時,用以Pt摻雜的TiO2降解氣相TCE、甲苯,取得了很好的結果。在適宜條件下,可達到污染物的完全礦化。但也有一些研究者認為,就Ag、Pt摻雜而言,對不同晶型的TiO2會產生不同的效果,在他們所做得實驗中得到以下有關降解效率的結論:
(1)金紅石型<0.5%Ag/金紅石型<0.5%Pt/0.5%Ag/金紅石型<0.5%Pt/金紅石型。
(2)銳鈦礦型>0.5%Pt/銳鈦礦型>0.5%Ag/銳礦型>0.5%Pt/0.5%Ag/銳鈦礦型。
3. 復合催化劑
復合催化劑一般分為2種,一種是與絕緣體復合,主要起到載體的作用,可以增大催化劑表面積和得到合適的孔結構,并具有一定的機械強度,便于加工及應用。但不同的載體效果也有所不同,科學家曾研究了TiO2沉積在A12O3、玻璃、硅和ITO上對苯酚的光催化降解情況,其降解速率規律是A12O3<玻璃<硅<ITO。另一種是將2種不同禁帶寬度的半導體復合,其互補性質能增強電荷分離,抑制電子-空穴的復合和擴展光致激發波長范圍,從而顯示了比單一半導體更好的穩定性和催化活性。
研究人員對TiO2/ZnO、TiO2/WO3、TiO2/Fe2O3在酸性條件下共煅燒所得的催化劑,以汞燈為光源,對十二烷基磺酸鈉的光催化降解進行了研究,所得的催化降解順序為TiO2<TiO2/ZnO<TiO2/WO3< TiO2/Fe2O3。也有學者對CdS/TiO2體系進行了研究,表明復合半導體比單一半導體具有更高的催化活性。在對TiO2/SnO2的研究當中,發現當SnO2的摻入量為20%時,甲基橙的脫色率及礦化率都達到了最大值。
4. 稀土摻雜及半導體表面敏化
科學家經過研究,指出稀土元素的摻雜會顯著提高TiO2催化劑光降解久效磷的能力,特別是CeO2的摻雜,2h內磷酸根得率達91%,是單獨使用TiO2的3.3倍。并給出了稀土元素摻雜TiO2體系的光催化能力順序:CeO2/TiO2>La2O3/ TiO2>Sm2O3/TiO2,Dy2O3/ TiO2>Eu2O3/ TiO2>Nd2O3/ TiO2>Pr6O11/ TiO2>Y2O3/TiO2。
將光活性化合物化學吸附或物理吸附于光催化劑表面,從而擴大激發波長范圍,增加光催化反應的效率,這一過程稱為催化劑表面敏化作用。其原理是,在半導體體系中加入光敏劑,光敏劑受光激發后,能將電子轉移到半導體的導帶,并可進一步傳遞給其他物質,使其發生氧化還原反應,從而擴展了半導體材料吸收光的波長范圍。應用這一原理也大大提升了TiO2的光催化能力。
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