TiO2光催化原理和应用

TiO2光催化原理及应用

一.前言

在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界范围内每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并且可能导致二次污染。包括我国在内世界范围内广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比较安全的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用范围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。

自然界中，植物、藻类和某些细菌能在太阳光的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或硫化氧）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）。这种光合作用是一系列复杂代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反应中最简单的形式，但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。

半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物(有机物、无机物)分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域，它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太阳光作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目的，对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。

二.TiO2的性质及光催化原理

许多半导体材料(如TiO2，ZnO，Fe2O3，ZnS，CdS等)具有合适的能带结构可以作为光催化剂。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。

TiO2属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板

钛矿的光催化性能和稳定性最差，基本没有相关的研究和应用。而锐钛矿型和金红石型均属四方晶系，两种晶型都是由相互连接的TiO6八面体组成的，每个Ti原子都位于八面体的中心，且被6个O原子围绕。两者的差别主要是八面体的畸变程度和相互连接方式不同。金红石和锐钛矿晶胞结构的差异也导致了这两种晶型物化性质的不同。从热力学角度看，金红石是相对最稳定的晶型，熔点为1870℃；而锐钛矿是二氧化钛的低温相，一般在500℃~600℃时转变为金红石。二氧化钛晶型转变的实质是晶胞结构组成单元八面体的结构重排。金红石晶型结构中原子排列更加致密，密度、硬度、介电常数更高，对光的散射也更大。因此，金红石是常用的白色涂料和防紫外线材料，对紫外线有非常强的屏蔽作用，在工业涂料和化妆品方面有着广泛的应用。锐钦矿的带隙宽度为稍大于金红石的，光生电子和空穴不易在表面复合，因而具有更高的光催化活性能够直接利用太阳光中的紫外光进行光催化降解，而且不会引起二次污染。因此，锐钛矿是常用的处理环境污染方面问题的光催化材料。

TiO2的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而跃迁至导带，形成光生电子(e-);而价带中则相应地形成光生空穴(h+)。

如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，生成超氧自由基·O2-；而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基·OH；·OH和·O2-的氧化能力极强，几乎能够使各种有机物的化学键断裂，因而能氧化绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO2和H2O等物质。反应过程如下：

TiO2+ hv → h+ +e-

h+ + OH-→ ·O H

h+ + H2O →·OH + H+

e- + O2→·O2-

H2O + ·O2-→ HO2· + OH-

2HO2·+e-+H2O→H2O2+OH-

H2O2 + e- → ·OH+OH-

H2O2 + ·O2-→ ·OH+H+

·OH + dye →···→ CO2 + H2O

·O2-+ dye →···→ CO2 + H2O

当然也会发生，光生电子与空穴的复合：

h+ + e-→ 热能

由机理反应可知，TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。羟基自由基是含有一个未成对电子自由基，这使得它几乎能跟水中的几乎所有机污染物和大部分的无机污染物反应。它与污染物的反应速度非常快，反应速度仅仅受限于羟基自由基在水中的扩散速度。羟基自由基与污染物的反应机理主要包括在不饱和的双键、三键上的加成反应，氢取代和电子的转移。很多研究表明，羟基自由基在光催化降解的过程中起主导作用。虽然超氧自由基、单基态氧和双氧水的氧化电位低于羟基自由基，但是他们在降解的过程中也起到不可或缺的作用。TiO2光催化主要通过生成的含氧自由基与水中的污染物反应，达到降解的目的，并且最终产生对环境无害的水、二氧化碳、氮气等。TiO2光催化可以同时产生带正电荷的空穴以及带有负电荷的电子，这使得催化体系既有氧化能力又有还原能力。所以剧毒的三价砷（砒霜的有效成分就是三价砷）可以被氧化成低毒的五价砷，对人有害的六价铬被还原成无毒的三价铬。

TiO2作为光催化剂它具有以下几个优点：

1. 把太阳能转化为化学能加以利用。

2. 降解速度快，光激发空穴产生的·OH是强氧化自由基，可以在较短的时间内成功的分解包括难降解有机物在内的大多数有机物。

3. 降解无选择性，几乎能降解任何有机污染物。

4. 降解范围广，几乎对所有的污水都可以采用。

5. 具有高稳定性、耐光腐蚀、无毒等特点，并且在处理过程中不产生二次污染；有机污染物能被氧化降解为CO2和H2O，并且其对人体无毒。

6. 反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在太阳光下即可发生光催化化学反应。

7. 反应设备简单，易于操作控制。光催化反应具有稳定性，一般情况下，负载TiO2光催化剂能多次使用，不影响反应效果，催化作用持久长效。

三.TiO2的应用领域

TiO2能有效的将废水中的有机物、无机物氧化或还原为CO2、PO43-、SO42-、NO3-、卤素离子等无机小分子，达到完全无机化的目的。染料废水、农药废水、表面活性剂、氯代物、氟里昂、含油废水等都可以被TiO2催化降解。而且TiO2具有杀菌效果，这种特性几乎是无选择性的，包括各种细菌和病毒。

·OH起主导作用的反应较复杂：·OH既可以与表面Ti缔合成Ti4+HO·来氧化表面污染物，

也可以扩散到液相中来氧化污染物：对于二者共同作用来说，表面氧化反应和液相氧化反应应该是同时进行的。这可归结为反应物、中间体与产物在催化剂表面上进行的竞争吸附导致反应位置由催化剂表面向液相中转移。

现已发现有300多种有机物可被光催化分解，而且美国环保局公布的114种有机物均被证实可通过光催化氧化降解矿化。可采用TiO2光催化处理的有机废水及有机物的种类如下：染料废水：甲基橙、甲基蓝、罗丹明-6G、罗丹明B、水杨酸、羟基偶氮苯、水杨酸、分散大红、含磺酸基的极性偶氮染料等。农药废水：除草剂、有机磷农药、三氯苯氧乙酸、2，4，5-三氯苯酚，DDVP、DTHP、DDT等等。表面活性剂：十二磺基苯磺酸钠、氯化卞基十二磺基二甲基胺、壬基聚氧乙烯苯、乙氧基烷基苯酚等。氯代物：三氯乙烯、三氯代苯、三氯甲烷、四氯化碳、4-氯苯酚、2-氯代二苯并嗯英、7-氯代二苯并二嗯英、多氯代二苯并二嗯英、四氯联苯、氟里昂、五氟苯酚、氟代烯烃、氟代芳烃等。油类：水面漂浮油类及有机污染物。

许多无机物在TiO2表面也具有光化学活性，早在1977年就有科学研究人员用TiO2悬浮粉末光解Cr2O72-，将其还原为Cr3+。利用二氧化钛催化剂的强氧化还原能力，可以将污水中汞、铬、铅、以及氧化物等降解为无毒物质。TiO2光催化剂能将CN-氧化为OCN-，再进一步反应生成CO2、N2和NO3-的过程，如TiO2光催化法从Au(CN)4中还原Au，同时氧化CN-为NH3和CO2的过程，二氧化钛光催化用于电镀工业废水的处理，不仅能还原镀液中的贵金属，而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染，是一种有实用价值的处理方法。

在保洁除菌方面的研究，Matsunaga在1958年首先发现二氧化钛（TiO2）在金卤灯照射下，能有效杀灭乳干嗜酸菌、酵母菌和大肠杆菌等细菌。进一步研究还发现，在光催化反应过程中产生的高氧化性羟基自由基（·OH），可有效破坏细菌的细胞壁和凝固病毒的蛋白质，从而灭活它们。并且，这种杀菌效果几乎是无选择性的，包括各种细菌和病毒。因此，从20世纪90年代以来，日本在其实施的环境空气恶臭管理法的推动下，大力开展大气除臭、净化、防污、抗菌、防霉、防雾等工作。与此同时，日本学者Fujishima等人研究发现在玻璃、陶瓷表面涂上一层TiO2透明薄膜，经光照后，表面具有灭菌、除臭和防污自洁功能，从而开辟了光催化剂薄膜功能材料研究这一新领域。

3.1室内有害挥发性有机物的治理

随着物质生活的提高，居室装修和家用电器、家具的大量使用，室内挥发性有害有机化合物（V olatile organic compounds ,VOCs）的释放源在不断的增多，人类进入到以“室内空气污染”为标志的第三污染时期，室内空气污染已被列为全球四个关键的环境问题之一。室内VOCs的危害大，许多慢性疾病的高发与之相关，而VOCs成分复杂且难以分离，以往以除尘为主的空气净化手段不能给予有效的治理，开展室内VOCs的新的治理方法研究必将成为预防医学新的热点。喷涂在材质表面的纳米TiO2，在紫外线的照射下能转化空气中VOCs。实际上，经普通玻璃后，室内阳光的紫外线几乎为零，所以单纯的TiO2转化室内空

气中VOCs，需要紫外光源的辅助。随着掺杂技术的发展，TiO2-NCP的激发波长红移，使室内VOCs 的PCO过程可在可见光下进行，TiO2-NCP能有效地分解室内醛系物、苯系物、硫醇、酮类和氮氧化物等VOCs。

近几年来，在众多的非金属掺杂方法中，氮掺杂因为对可见光的量子效应高、价格低廉、制备工艺简单而被研究的最多，N-TiO2对难降解的苯系物的降解效果显著地高于无掺杂TiO2。N-TiO2在拓宽光催化响应波长的同时，极大地提高了催化活性。前几年,包括Ag、Cu、Fe、Sn、Cd、Cr等金属和某些稀土元素掺杂到纳米TiO2中被广泛研究，并检验其对VOCs的降解能力。金属离子掺杂TiO2降解VOCs的反应速率受温度，湿度，光的波长和强度，氧气浓度，污染物的浓度和催化剂用量等多种因素影响。

湿度太大和太小都不利于甲醛的分解，35%是最佳降解湿度；空气中的氧气含量越高降解效果越好，使用254 nm光照射优于365 nm。从成本和工艺角度考虑，Fe离子掺杂更具实用价值，理论上Fe3+替代TiO2八面体晶格中的Ti4+，能拓宽TiO2的可见光响应区间，并抑制(e--h+)的简单复合。掺Fe的纳米TiO2，以室内甲苯为实验对象，甲苯的分解效率明显增大。

3.2.饮用水中有机有害物的深处理

随着工农业生产的发展所带来的持续不断的污染物排放和急剧增大的富营养化，融入自然水循环体系中的有害物质必将对人类饮用水的安全造成严重的冲击。这些有害物质包括难降解的永久性有机污染物(persistent organic pollutants,POPs)、涵盖蓝藻毒素的自然有机物（natural organic matters ，NOMs）、与农资相关的含N化合物、涉水器材释放的塑化剂、以及现行水处理的消毒副产物（disinfection By-product, DBPs）等等。而除去水中毒害大的这些微量有害物质，是饮水处理的难题。最近几年，针对饮用水中的两类问题相对较大的有机有害物—POPs和NOMs，不少人尝试采用TiO2-NCP技术进行深处理研究。

在全球性的环境污染指标中，POPs倍受关注，自然水循环体系是POPs存在的主要场所之一。水中的POPs危害大、难处理，危险性在日益增大。目前我国的城市用水、水库、江河和湖海都能检出POPs，水生生态系统中有多种POP的水平处于在全球数值范围的高端；其中河流和沿海水域的多氯联苯和滴滴涕已对当地居民构成健康风险，所以消除水中POPs的意义很大。吸附/PCO的协同作用是水中POPs净化的一个极为重要的有效且经济的手段；在PCO处理中，TiO2-NCP比多相催化臭氧氧化、电催化氧化等较为温和且“零”废物产生, 虽然目前很多研究还停留在实验室水平，但却展示出了巨大的应用潜力。TiO2-NCP 的PCO甚至能分解掉难分解的POPs中间产物，如苯酚、氯苯和甲苯等。负载在玻璃上的纳米二氧化钛薄膜光催化反应器，对微量有机污染物的处理，在2~3小时内，总有机污染物的去除率达到45％~63％；光催化过程•OH的生成量与有机物的去除效率呈正相关；在诸多影响因素中，光照强度>溶解性有机碳含量>反应时间> pH值。

随着水循环体系富营养化的加大，NOMs的危害逐步凸显出来，它们对水质的冲击不

仅造成颜色、味道和气味异常，而且水处理时，增加混凝剂和消毒剂的剂量势必增加有害消毒副产物的形成；更为严重的是NOMs还能①促进微生物如藻类的生长，释放易溶于水的诸如环肽和生物碱等天然毒素；②通过螯合作用，增大重金属和有机污染物在水中的溶解性。近年来，世界各地的水质报告显示，地表水中NOMs的水平持续增长，已对饮用水的净化起到了负面影响。就水体中存在最广泛的NOMs—腐殖酸而言，不仅在水厂加氯过程中极易形成消毒副产品—卤代烃类致癌物质，而且是导致大骨节病的主要环境因素之一。

Ag-TiO2/磷灰石/Al2O3复合膜用于水处理中，通过过滤和光催化降解的协同效应，能有效的除去腐殖酸和痕量级的有机污染物，研究表明腐殖酸的去除效果与光照强度呈正相关。另外，遍布于全球水体中的蓝藻被认为是一个重要的水质问题，不可预测的某种条件下可以产生藻毒素（microcystins, MCs)，全球有多个因水中MCs导致野生和家养动物中毒以及危害居民健康的报告。MCs作为自然环肽物质易溶于水,很难被一般水处理方法消除。氮掺杂TiO2光触媒降解MCs在可见光照下，P25几乎没有效果，氮掺杂TiO2则仍能有效地分解MCs，且总有机碳和MCs能被完全矿物化。

饮用水的安全是不亚于食品安全的公共卫生问题，不断恶化的水循环体系以及所含的有机有害物的复杂性和不确定性，需要使用广泛适用且环境友好的处理方法，TiO2-NCP有望在这方面发挥更大的作用。

3.3.抑菌灭菌及在不同场所的消毒

TiO2受光激发后，通过PCO过程破坏细菌、真菌孢子和朊病毒的DNA，具有极强的的杀菌、除臭和防霉等作用。微生物对光催化的敏感程度依次为：病毒>革兰氏阴性菌和阳性细菌芽孢杆菌>酵母菌丝状真菌；微生物的PCO灭活机制有：①光生(e--h+)直接破坏微生物的细胞壁、膜或其它组成成分；②光生(e--h+)的溶氧反应,形成氧化能力很强的自由基等，穿透菌类的细胞壁进入菌体,阻止成膜物质的传输,阻断其呼吸和传输系统,使微生物失活；③光催化氧化分解空气或介质表面的有机物,切断有机物营养源,抑制微生物的繁殖。虽然纳米TiO2理论上在紫外线辐射情况下，在一定温度和湿度下，能通过PCO反应杀灭空气中的微生物，但由于辅助条件苛刻、反应缓慢，并不被消毒工作者认可。但随着TiO2-NCP材料的发展，PCO的过程可在温和条件下快速地使微生物失活。

就水体消毒而言，由于受水体的富营养化的冲击，水生微生物的大量繁殖对饮用水的消毒处理越来越艰难，不断增加化学消毒品的使用剂量或者增大紫外辐射所产生的消毒副产品（disinfection By-product, DBPs）又带来了新的公众健康的问题，既要从微生物角度保证饮水安全，又要减少DBPs的产生，这对饮用水处理是一个重大的挑战。纳米光催化，特别是TiO2-NCP作为适合范围广且操作安全、环境友好的材料用于水的灭菌消毒研究，较早受到关注。将这种不仅能处理掉有害化学物质，而且在可见光下能持久的杀灭水体中微生物的特殊氧化处理过程称为超氧化（Advanced Oxidation Processes，AOP），认为TiO2-NCP 用于水的AOP处理，是未来水处理的发展趋势。

纯粹的TiO2需要紫外线的协助，且作用缓慢，所以作为器材消毒并不被认可，而随着TiO2-NCP对可见光利用的量子效应的增大，作为器皿表面“自清洁”的能力，引起人们的极大兴致。这种“自清洁”医疗器材的特点是①只要有可见光存在，就能产生作用；②光触媒本身并不随时间延长而消耗,使用寿命持久；③零废物，光触媒在杀灭微生物的同时还消除了微生物的次级代谢产物。

为应对暴发性传染病和降低获得性感染的发病率，寻求新型的消毒方法为目的，系统地开展了光催化对临床相关病源微生物的杀灭和减活。二氧化钛涂层的表面上大肠埃希氏菌，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，绿脓杆菌，难辨梭状芽孢杆菌等具有明显的灭活效果，与仅由紫外线照射使微生物失活的方法比较，呈现非常显著的差别（P <0.01）。特别值得关注的是，20~30纳米的银敏化钛钒混合金属氧化物，由于①掺杂离子诱导(e--h+)的电荷分离，强化了PCO反应，特别是银的协同效应促进了表面等离子体共振，②在催化剂的混合相产生电荷陷阱，使得光响应有明显的红移现象，所以在可见光下对致病菌的灭活活性显着增强。

四.TiO2的固定化技术

由于粉末状的纳米TiO2颗粒细微，在水溶液中易于凝聚、不易沉降，难以回收，活性成分损失大，不利于再生和再利用。将TiO2固定化既可以解决催化剂分离回收困难的问题，还可以克服悬浮相催化剂稳定性差和容易中毒的缺点，也是应用活性组分和载体的各种功能的组合来设计催化剂反应器的理想途径，纳米TiO2薄膜既具有固定催化剂的优点，又由于尺寸细化而具有纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应、量子限域效应等特征，因而有着理论研究和实际应用的价值。TiO2光催化剂是通过光催化反应使表面的有害物质分解的，故须使其表面暴露在外部或能让欲分解的反应物移动而易与之接触。TiO2光催化剂的应用开发在某种意义上说也就是其固定化技术的开发。

而固定化技术的关键在于选择适宜的载体与合适的固定化方法。在光催化剂载体的选择上，不仅要求光催化剂载体除了要具有一般载体所要求的稳定性、高强性、低价格和大比表面积外，更重要的一点是，附着在载体上的催化剂能够尽可能多的被光照射而激活以发挥催化剂的作用。目前，光催化剂载体主要有两大类:无机载体和有机载体。无机载体主要是以含硅物质为基质，具有极好的耐热性能和化学稳定性，在烧结过程中基质与催化剂颗粒间会产生较强的粘结力。研究表明纳米TiO2光催化材料固定后，由于界面离子扩散作用，若选择的载体合适，就可以与TiO2产生协同作用，有利于反应物在TiO2表面吸附，增强TiO2光催化效果。

一般而言, 光催化薄膜通常涂覆在平面上，如蜂窝板、三维(3D)泡沫陶瓷板等多孔性材料对气体、液体通过具有非常好的流体性质, 因此以它作为涂覆的基体。这种泡沫陶瓷具有3D多孔结构，多种孔密度、比表面积和化学性质。3D多孔泡沫陶瓷的床层空隙率较高，因此使用时压降较低，且不像蜂窝陶瓷，它具有复杂多变的孔结构，可增强流体的扰动和混

合。另外, 3D多孔泡沫陶瓷的开发多孔和网状的结构使得在催化体系具有非常好的流体动力学性质, 催化剂表面和气体、液体反应物有充分的接触. 多孔材料在液相或气相催化反应中具有独特的优势,因此, 泡沫陶瓷、多孔的氧化铝、分子筛和活性炭经常被用作催化剂载体.

由于TiO2薄膜涂层具有较大的有效比表面积, 其表面存在很多吸附活性位, 用于吸附在反应过程中形成的水蒸汽、气相反应物和产物, 因而具有更高的光催化活性, 因此在泡沫陶瓷空气、废水净化系统中可以高效地光催化降解作用。3D多孔泡沫陶瓷的特性可增强流体的扰动和混合, 使得气相反应物与光催化剂表面有着充分的接触; 其大的孔密度也导致高的光催化速率.

为提高TiO2的光催化效率，近几年来国内外学者从①降低光生(e--h+)的光响应能量，充分利用太阳资源；②提高光生(e--h+)的分离，抑制(e--h+)的复合，提高光催化剂的量子效率；③增大催化剂的吸附能力提高光催化反应的竞争力，这几方面进行了掺杂和负载的大量改良研究。从理论上看，某些微量杂质元素掺入TiO2晶体中时，不仅使杂质能带与TiO2能带相互叠合，禁带宽度变窄，使光生电子在吸收较低能量时即可发生跃迁，即催化响应光发生红移，光响应性范围增大；而且在半导体晶格中引入缺陷位置，能抑制(e--h+)的复合，提高TiO2的量子效应，增强光催化活性。其中，非金属元素掺杂在TiO2晶格中，主要的改良作用是氧位被非金属元素取代使得TiO2的禁带变窄，光的响应波长范围拓宽；而金属离子掺杂到TiO2半导体晶格中，能引入了缺陷位置或改变结晶度，影响(e--h+)的复合，提高TiO2光催化的量子效应。将TiO2负载在多空材质上，既能增大对反应物的吸附，又增大了纳米颗粒的比表面积和氧化自由基的数量，在提高光催化活性的同时，催化剂易于回收和重复利用。

纳米TiO2掺杂和负载的TiO2-NCP，所产生的是一种多作用的协同效应，即：①促使TiO2在可见光的响应，提高了太阳光的利用率；②抑制光生(e--h+)的简单复合，提高了TiO2的可见光量子效率；③催化剂吸附能力增大，提高了反应的竞争力。TiO2-NCP技术上的突破，推动了在公众健康保护方面的应用研究。

二氧化钛光催化原理

二氧化钛光催化原理 二氧化钛光催化是一种常见的光催化反应，指的是当二氧化钛表面受 到紫外光照射时，产生的电子-空穴对（e^-/h^+）与溶液中的物质发生反应，从而实现催化剂的功能。该反应在环境保护、能源转化、有机合成等 领域具有重要的应用价值。本文将从二氧化钛光催化的基础原理、光催化 机理和光催化反应的应用等方面进行介绍。 首先，二氧化钛光催化的基础原理是建立在二氧化钛的半导体特性上。二氧化钛是一种宽禁带半导体，其导带带底下为空带，导带和空带之间隔 着禁带。当二氧化钛受到紫外光照射时，光子的能量可以使得一部分价带 中的电子被激发到导带中，形成电子-空穴对。这些电子-空穴对可以参与 光催化反应。 其次，二氧化钛光催化的机理可以分为直接和间接机理。直接机理是 指光子激发电子跃迁到导带中，并与溶液中的物质直接发生反应。例如， 当溶液中存在有机物时，激发的电子可以与有机物发生氧化反应，将其降 解为无害的物质。间接机理则是指激发的电子在导带中发生一系列的电子 迁移过程，最终转移到表面吸附的氧分子上，与溶液中的水分子发生反应 生成羟基自由基（•OH），这些自由基可以氧化有机物质。 此外，二氧化钛光催化的反应速率还受到多种因素的影响。一是溶液 的pH值，强酸或强碱条件下不利于电子与空穴的重新组合，从而有利于 电子和空穴的产生。酸性条件下，电子常与H^+结合形成羟基自由基（•OH），从而增强催化效果。二是反应物的浓度，浓度越高，反应速率 越快。三是二氧化钛的晶型和表面形貌，具有良好的晶体结构和表面积的 二氧化钛对光催化反应具有更好的催化效果。四是反应温度，温度上升可 以加速反应速率。

二氧化钛光催化原理及应用

二氧化钛光催化原理及应用 二氧化钛光催化是一种以二氧化钛为光催化剂，在紫外光照射下产生光催化反应的原理。通过吸收光能，产生电子-空穴对并将其转移到表面上的活性位点，进而发生一系列的光催化反应。二氧化钛催化的光催化活性源于其特殊的晶体结构和带隙能。 二氧化钛晶体的带隙能较大，可以吸收高能紫外光，将电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。其中电子具有还原性，而空穴具有氧化性。这些电子-空穴对在光照射下迁移到二氧化钛的表面，并参与各种光催化反应。 光催化反应的应用非常广泛。以下是一些主要的应用领域： 1. 环境净化：二氧化钛光催化可以降解大量有害气体，如甲醛、苯等有机污染物，通过氧化反应将其转化为无害物质。此外，二氧化钛光催化还可以降解水中的有机废弃物和重金属离子，净化水质。 2. 空气净化：利用二氧化钛光催化原理，可以制备光催化空气净化器，用于去除室内空气中的有害气体和异味物质。 3. 自洁材料：二氧化钛光催化具有自洁功能，可以将附着在材料表面的污染物和有机物氧化分解，保持材料表面的清洁。

4. 医学应用：二氧化钛光催化在医学领域有广泛应用，可以用于细菌、病毒和真菌的灭活，减少医疗器械的感染风险。 5. 能源转换：二氧化钛光催化可以作为太阳能电池的光阳极材料，将太阳能转化为电能。 6. 污水处理：通过添加适量的二氧化钛催化剂，可以在污水处理过程中促进有机物的降解，提高污水的处理效果。 7. 燃料电池：利用二氧化钛光催化实现燃料电池的光阳极反应，提高燃料电池的性能。 8. 光催化杀菌：二氧化钛光催化可以通过氧化反应杀灭细菌和病毒，用于食品加工、水处理等方面。 9. 扩大催化反应表面积：二氧化钛光催化可以增加反应表面积，提高反应效率。 10. 太阳能催化制氢：二氧化钛光催化可以利用太阳能和水反应，产生氢气，用于制氢技术。 总而言之，二氧化钛光催化原理的应用领域广泛，涵盖了环境净化、空气净化、自洁材料、医学、能源转换、污水处理、燃料电池、光催化杀菌等多个领域。随

tio2光催化原理

tio2光催化原理 TiO2光催化原理。 光催化技术是一种环境友好的处理污染物的方法，其原理是利用半导体材料在 光照条件下产生电子和空穴对，并通过这些电子和空穴对来进行化学反应，从而降解有害物质。其中，二氧化钛（TiO2）作为一种重要的半导体材料，在光催化领 域得到了广泛的应用。 首先，TiO2的光催化原理是基于光生电荷对的产生和利用。当TiO2暴露在光 照条件下时，其价带内的电子会被光激发到导带内，形成电子-空穴对。这些电子 和空穴对具有较高的还原和氧化能力，可以参与光催化反应。在光照条件下， TiO2表面会吸附有机废水中的有机物质，然后通过光生电子和空穴对的作用，将 有机物质分解为水和二氧化碳等无害物质。 其次，TiO2的光催化原理还涉及到光生电荷对的分离和传输过程。在光照条 件下，TiO2表面吸附的有机物质会促使光生电子和空穴对的产生，并在TiO2表面 发生分离。这些电子和空穴对会沿着TiO2的晶格结构传输，最终参与光催化反应。通过这一过程，TiO2能够有效利用光能，并提高光催化反应的效率。 另外，TiO2的光催化原理还涉及到表面活性位点的形成和作用。TiO2的表面 具有丰富的活性位点，这些位点能够吸附有机废水中的有机物质，并提供反应的场所。在光照条件下，这些活性位点能够有效地催化有机物质的分解反应，从而加速光催化反应的进行。 总的来说，TiO2的光催化原理是基于光生电荷对的产生和利用，涉及到光生 电荷对的分离和传输过程，以及表面活性位点的形成和作用。通过这些原理， TiO2能够有效地催化有机废水中有机物质的分解，实现环境友好的污染物处理。 在实际应用中，TiO2光催化技术已经被广泛应用于废水处理、空气净化等领域， 具有重要的应用前景和社会意义。

二氧化钛光催化原理

二氧化钛光催化原理 一、引言 二氧化钛光催化技术是一种新型的环境保护技术，它通过利用光催化剂二氧化钛的特殊性质，将光能转化为化学能，实现对有害气体和污染物的高效降解。本文将从二氧化钛光催化原理的基础开始，分析其反应机理、影响因素以及未来发展方向。 二、二氧化钛光催化原理 1. 光催化剂 光催化剂是指在光照下产生电子-空穴对并参与反应过程的物质。目前常用的光催化剂主要有铜铟镓硫系列(CIGS)、纳米金属颗粒、半导体量子点等。其中，二氧化钛(TiO2)作为一种广泛应用于环境保护领域的光催化剂，由于其稳定性好、价格低廉等特点而备受关注。 2. 光生电子-空穴对 当TiO2被紫外线照射时，其价带中会产生电子(E-)，同时其导带中会产生空穴(H+)。这些电子和空穴在TiO2表面上发生反应，从而促进

化学反应的进行。在光照下，TiO2表面电子和空穴的生成速率与消耗速率相等，形成了稳定的电子-空穴对。 3. 光催化反应 当有污染物或有害气体进入TiO2表面时，它们会被吸附在TiO2表面，并与光生电子-空穴对发生反应。以VOCs为例，其分解机理如下： (1) VOCs + hν → VOCs* (激发态) (2) VOCs* → VOCs + e^- (电子) (3) TiO2 + h+ → TiO2+H (空穴) (4) H2O + e^- → H+OH^- (羟基自由基) (5) VOCs + OH· → CO2 + H2O 其中，hν表示光子能量，VOCs表示挥发性有机化合物。 4. 反应速率 二氧化钛光催化反应速率受到多种因素的影响，主要包括光源强度、

污染物浓度、温度、湿度等因素。其中，光源强度是影响反应速率最 为显著的因素之一。当光源强度增加时，TiO2表面上的电子-空穴对 生成速率也会随之增加，从而加快反应速率。 三、影响因素 1. 光源强度 光源强度是影响二氧化钛光催化反应速率的最为显著的因素之一。当 光源强度增加时，TiO2表面上的电子-空穴对生成速率也会随之增加，从而加快反应速率。 2. 污染物浓度 污染物浓度是影响二氧化钛光催化反应速率的另一个重要因素。当污 染物浓度较低时，TiO2表面上的反应位点容易被占据，导致反应速率降低；当污染物浓度过高时，TiO2表面上的反应位点已经饱和，进一步增加污染物浓度对反应速率没有明显影响。 3. 温度和湿度 温度和湿度也会对二氧化钛光催化反应产生一定影响。通常情况下， 在较高温度下进行光催化反应可以提高其效果；而在较高湿度下进行

二氧化钛光催化原理

二氧化钛光催化原理 二氧化钛光催化技术是一种环境友好型的光催化技术，广泛应用于水处理、空 气净化、光催化降解有机物等领域。其原理是利用二氧化钛在光照条件下产生电子-空穴对，从而促进光催化反应的进行。本文将详细介绍二氧化钛光催化的原理及 其应用。 首先，二氧化钛的光催化原理是基于半导体的光生电子-空穴对的产生。当二 氧化钛受到紫外光照射时，其价带内的电子会被激发到导带内，形成电子-空穴对。这些电子-空穴对具有高度的化学活性，可以参与多种光催化反应，如有机物的降解、水的分解等。 其次，光催化反应的进行需要一定的能量。在光照条件下，二氧化钛表面的电 子-空穴对会与水或有机物发生氧化还原反应，从而实现光催化降解有害物质的目的。例如，二氧化钛光催化水分解可产生氢气和氧气，而光催化降解有机物则可以将有机废水中的有机物分解为无害的物质。 此外，二氧化钛的光催化效率受到多种因素的影响。光照强度、波长、温度、 二氧化钛表面的形貌和晶体结构等因素都会影响光催化反应的进行。因此，为了提高二氧化钛的光催化效率，可以通过调控材料结构、表面改性等手段来优化光催化性能。 最后，二氧化钛光催化技术在环境治理领域具有广阔的应用前景。通过光催化 技术处理废水和废气，可以高效降解有机物和有害物质，净化环境，达到环保的目的。此外，二氧化钛光催化技术还可以应用于光催化电池、光催化氢生产等领域，具有重要的研究和应用价值。 综上所述，二氧化钛光催化原理是基于半导体的光生电子-空穴对产生，利用 其高度的化学活性实现光催化反应的进行。通过调控材料结构和表面改性等手段，

可以提高二氧化钛的光催化效率。二氧化钛光催化技术在环境治理和能源领域具有广泛的应用前景，对于提高环境质量和可持续发展具有重要意义。

TiO2光催化原理及应用

TiO2光催化原理及应用LT

H2O2 + e- → ·OH+OH- H2O2 + ·O2-→ ·OH+H+ ·OH + dye →···→ CO2 + H2O ·O2-+ dye →···→ CO2 + H2O 当然也会发生，光生电子与空穴的复合： h+ + e-→ 热能 由机理反应可知，TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。羟基自由基是含有一个未成对电子自由基，这使得它几乎能跟水中的几乎所有机污染物和大部分的无机污染物反应。它与污染物的反应速度非常快，反应速度仅仅受限于羟基自由基在水中的扩散速度。羟基自由基与污染物的反应机理主要包括在不饱和的双键、三键上的加成反应，氢取代和电子的转移。很多研究表明，羟基自由基在光催化降解的过程中起主导作用。虽然超氧自由基、单基态氧和双氧水的氧化电位低于羟基自由基，但是他们在降解的过程中也起到不可或缺的作用。TiO2光催化主要通过生成的含氧自由基与水中的污染物反应，达到降解的目的，并且最终产生对环境无害的水、二氧化碳、氮气等。TiO2光催化可以同时产生带正电荷的空穴以及带有负电荷的电子，这使得催化体系既有氧化能力又有还原能力。所以剧毒的三价砷（砒霜的有效成分就是三价砷）可以被氧化成低毒的五价砷，对人有害的六价铬被还原成无毒的三价铬。 TiO2作为光催化剂它具有以下几个优点： 1. 把太阳能转化为化学能加以利用。 2. 降解速度快，光激发空穴产生的·OH是强氧化自由基，可以在较短的时间内成功的分解包括难降解有机物在内的大多数有机物。 3. 降解无选择性，几乎能降解任何有机污染物。 4. 降解范围广，几乎对所有的污水都可以采用。 5. 具有高稳定性、耐光腐蚀、无毒等特点，并且在处理过程中不产生二次污染；有机污染物能被氧化降解为CO2和H2O，并且其对人体无毒。 6. 反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在太阳光下即可发生光催化化学反应。 7. 反应设备简单，易于操作控制。光催化反应具有稳定性，一般情况下，负载TiO2光催化剂能多次使用，不影响反应效果，催化作用持久长效。 三.TiO2的应用领域 TiO2能有效的将废水中的有机物、无机物氧化或还原为CO2、PO43-、SO42-、NO3-、卤素离子等无机小分子，达到完全无机化的目的。染料废水、农药废水、表面活性剂、氯代物、氟里昂、含油废水等都可以被TiO2催化降解。而且TiO2具有杀菌效果，这种特性几乎是无选择性的，包括各种细菌和病毒。

纳米TiO2光催化降解水体中有机污染物

纳米TiO2光催化降解水体中有机污染物 纳米TiO2光催化技术为一种有效的水体净化方法，可用于降解水 体中的有机污染物。本文将详细介绍纳米TiO2光催化降解有机污染物 的原理、应用和未来发展趋势。 1. 简介 水体污染是当前环境问题的重要方面之一，有机污染物的存在严重 威胁水生态系统的健康和人类的生存。因此，研究和开发高效的水体 净化技术变得尤为重要。纳米TiO2光催化技术凭借其高效、无毒、无 副产物、易操作等优势，被广泛应用于水体净化领域。 2. 纳米TiO2光催化的原理 纳米TiO2光催化技术是通过TiO2纳米颗粒的吸光吸收能量，形成 带隙激发，产生电子和空穴对，进而参与化学反应。在光照的作用下，纳米TiO2表面形成活性氧种，如羟基自由基和超氧阴离子自由基等， 这些活性氧种具有较强的氧化能力，可将有机污染物分解为无害的物质。 3. 纳米TiO2光催化应用案例 纳米TiO2光催化技术在水体净化领域有着广泛的应用。以染料为例，纳米TiO2光催化技术可将有机染料降解为无色的无害物质。此外，纳米TiO2光催化技术还可用于降解苯酚、有机酸类、农药等有机污染物。这些应用案例充分展示了纳米TiO2光催化技术在水体净化中的潜 力和优势。

4. 纳米TiO2光催化的改进方向 虽然纳米TiO2光催化技术具有广泛的应用前景，但仍然存在一些 问题需要解决。首先，纳米TiO2材料的光催化效率仍有提升空间，需 要进一步改进催化剂的结构和合成方法。其次，纳米TiO2光催化技术 受光照强度、温度等外部条件的影响较大，需要优化反应条件以提高 降解效率。此外，考虑到纳米TiO2颗粒对环境的潜在风险，还需要研 究纳米TiO2的生物降解性以及对水生态系统的影响等问题。 5. 结论 纳米TiO2光催化技术作为一种高效、环保的水体净化方法，具有 重要的应用前景。通过对纳米TiO2的研究和改进，可以进一步提高光 催化降解有机污染物的效果，为水体净化事业做出更大的贡献。未来，纳米TiO2光催化技术有望成为一种重要的工程应用，为改善水环境质 量和保护生态环境做出积极的贡献。 总之，纳米TiO2光催化技术是一项非常有潜力的水体净化方法， 具有重要的应用前景。在未来的研究中，需要进一步改进纳米TiO2材 料的性能和反应条件，以更好地应对水体污染问题。相信通过努力和 创新，纳米TiO2光催化技术将为水体污染治理提供更多解决方案，为 保护地球的水资源作出积极贡献。

tio2光催化析氢

tio2光催化析氢 1. 引言 光催化技术是一种能够通过光能直接转换为化学能的方法，具有广泛的应用前景。其中，氧化钛（TiO2）作为一种常见的催化剂，被广泛应用于光催化析氢反应中。本文将对tio2光催化析氢进行全面、详细、完整且深入地探讨。 2. TIO2光催化原理 在光照下，光催化剂表面的氧化钛吸收光能，产生活化电子-空穴对。这些活化电子和空穴对可以参与多种氧化还原反应，从而实现光催化反应。在光催化析氢反应中，光照下的氧化钛表面接触到水分子，使得水分子发生氧化还原反应，从而产生氢气。 3. TIO2光催化析氢的优势 TIO2光催化析氢具有以下优势： - 高效性：tio2具有较高的光催化活性，能够将大部分光能转化为化学能； - 廉价易得：氧化钛作为一种常见的材料，价格便宜且易于制备； - 环境友好：tio2光催化析氢不产生有毒废物，对环境无污染。 4. 影响tio2光催化析氢的因素 实现有效的tio2光催化析氢反应需要考虑到以下多个因素： 1. 光照条件：光照的强度和波长对tio2光催化活性有直接影响； 2. 催化剂性质：催化剂的晶体结构、表面形貌和晶相纯度等也会影响光催化活性； 3. 溶液条件：溶液中的温度、酸碱度、溶解氧等条件也会对光催化反应产生影响； 4. 技术手段：运用不同的技术手段，如负载剂和复合材料等，可以进一步提高tio2光催化析氢的效率和稳定性。 5. TIO2光催化析氢应用领域 tio2光催化析氢在多个领域有广泛应用，包括但不限于： - 清洁能源生产：光催化析氢可以利用太阳能将水分子分解为氢氧两种元素，从而产生清洁能源氢气； - 环境净化：光催化析氢还可以利用氢气与有机污染物反应，将其分解为无害物质，

光催化剂二氧化钛的用途

光催化剂二氧化钛的用途 光催化剂二氧化钛（TiO2）是一种具有独特催化活性的材料，被广泛应用于环境净化、能源转化、废水处理、自清洁功能等领域。以下将详细介绍二氧化钛的用途。 首先是在环境净化中的应用。光催化剂二氧化钛能吸收紫外光，并产生电子－空穴对。这些电子－空穴对具有高度的氧化还原能力，可以应用于空气净化，特别是有害气体的去除。二氧化钛在紫外光的激发下，可以氧化大部分的有机物和气体污染物，如甲醛、苯、甲苯等。此外，二氧化钛还能催化分解有害气体，如二氧化硫和一氧化氮等，将它们转化为无毒或低毒的物质。因此，二氧化钛被广泛应用于空气净化设备、自动空气净化器等环境净化设备中。 其次是在能源转化中的应用。光催化剂二氧化钛具有光电化学活性，可以将光能转化为电能或化学能，因此在能源转化领域具有广泛的应用前景。例如，二氧化钛可以作为光阳极应用于太阳能电池，将光能直接转化为电能供给电子设备。此外，二氧化钛还可以作为光催化剂应用于光电分解水制氢，通过光解水反应将水分解为氢气和氧气，从而实现可再生能源的生产。这些应用有望为解决能源危机和环境问题提供新的解决方案。 再次是在废水处理中的应用。光催化剂二氧化钛在可见光照射下也具有催化活性，因此可以应用于废水处理领域，特别是对有机物的降解和去除。二氧化钛在光照下可产生大量的活性氧物种，如羟基自由基（·OH），这些物种具有强氧化能力，

可以降解有机物质，如染料、农药和有机废水等。此外，二氧化钛还具有杀菌作用，可以有效去除水中的微生物和细菌。因此，二氧化钛被广泛应用于废水处理设备、水处理工艺等领域。 最后是在自清洁功能中的应用。光催化剂二氧化钛具有超级疏水和自清洁功能，可以被用于制备自清洁表面材料。当二氧化钛表面接触到水或有机物时，水或有机物会在其表面形成一层薄膜，这种薄膜可以通过光催化反应迅速分解。这种自清洁功能可以使表面保持干净和光亮，减少人工清洁的次数和成本。因此，二氧化钛在建筑材料、玻璃等表面覆盖领域具有广泛的应用前景。 综上所述，光催化剂二氧化钛具有广泛的应用领域，包括环境净化、能源转化、废水处理和自清洁功能等。随着科学技术的不断发展，二氧化钛的应用前景将进一步扩大，为解决环境和能源问题提供新的解决方案。

二氧化钛光催化分解甲醛原理

二氧化钛光催化分解甲醛原理

纳米二氧化钛光催化分解甲醛原理 1. 光催化剂的发现历史 自从1972年Fujishima和Honda[2]发现TiO2在受到紫外光照射时可以将水氧化还原生成氢，光催化材料就引起了科研人员的关注。而1976年Carey等[3]将TiO2的光催化作用应用于水中多氯联苯化合物脱氯去毒并取得了成功，从此TiO2作为一种去除有机物的一种有效方法应用到了水和空气的清洁净化领域。1985年，日本科学家Tadashi Matsunaga等[4]第一个发现了TiO2在紫外光下有杀菌作用。近年来科学家们又对TiO2进行了深入的研究，并取得了很大的进步。但是以前的研究多数是用溶胶凝胶负载在基材上，这样的负载量有限，所以对空气的净化的速率较慢。如何能够快速、便捷、安全、有效的除去室内的各种污染物及病菌成为一个亟待解决的问题。纳米TiO2良好的光催化性能使它成为了解决这一问的热点研究方向。纳米TiO2以其催化活性高、化学稳定性好、使用安全， 2. 纳米TiO2光催化机理 纳米TiO2是一种n型半导体氧化物，其光催化原理可以用半导体的能带理论来解释[5]。由于TiO2纳米粒子的粒径在1~100 nm，所以其电子的Fermi能级是分立的，而不是像金属导体中的能级是连续的，在纳米TiO2半导体氧化物的原子或分子轨道中具有一个空的能量区域，它介于导带与价带之间，称为禁带[6]，其宽度为3.2 eV，当纳米TiO2接受波长为387.5 nm以下的光线照射时，其内部价带的电子由于吸收光子跃迁到导带，从而产生空穴-电子对，即光生载流子，然后迅速迁移到其表面并激活被吸附的O2和H2O，产生高活性羟基自由基(·OH)和超氧离子自由基(·O2- )[7]，当污染物以及细菌吸附其表面时，会发生两个步骤：（1）吸收相波长为387.5 nm以下的光能，使表面发生光激发而产生光致电子和正的空穴。 （2）在受光照射而产生的电子-空穴中，电子消耗于空气中氧的还原，空穴则将吸附物质氧化，分解这些吸附物质的作用。如下图1：

纳米二氧化钛在生活中的应用

纳米二氧化钛在生活中的应用 前言 纳米TiO 2 具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好 的发展前景。纳米TiO 2 还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天 工业中、锂电池中。在此仅介绍纳米TIO 2 在光催化触媒生活中的应用。 一、纳米TIO2光催化原理 在日光或灯光中紫外线的作用下使Ti0 2 激活并生成具有高催化活性的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力，可催化、光解附着于物体表面的各种甲醛等有机物及部分无机物。能够起到净化室内空气的功能。 纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧 化钛的电子结构特点为一个满 TiO 2 的价带和一个空的导带 ,在水和空气的体系中 , 纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下 ,当电子能量达到或超过其带隙能时 ,电子就可从价带激发到导带 ,同时在价带产生相应的空穴 ,即生成电子、空穴对 ,在电场的作用下 ,电子与空穴发生分离 ,迁移到粒子表面的不同位置 ,发生一系列反应 : TiO 2 + hν e —— + h H 2 O + h——·OH+ H O 2 +e—— O 2 · O 2·+ H—— HO 2 · 2HO 2· —— O 2 + H 2 O 2 H 2O 2 +O 2 · ——·OH+OH +O 2 吸附溶解在TiO 2 表面的氧俘获电子形成O 2 ·, 生成的超氧化物阴离子自由 基与多数有机物反应(氧化) ,同时能与细菌内的有机物反应 ,生成CO 2和H 2 O;而 空穴则将吸附在TiO 2表面的OH和H 2 O氧化成·OH,·OH 有很强的氧化能力 ,攻 击有机物的不饱和键或抽取H原子产生新自由基 ,激发链式反应 ,最终致使细菌分解。

二氧化钛光催化降解有机污染物的机理及应用研究

二氧化钛光催化降解有机污染物的机理及应 用研究 近年来，环境污染问题成为了人类面临的最严重的问题之一。其中，有机污染 物的排放和处理成为了关注的焦点。一方面，现有的处理技术难以完全降解这些有机物，另一方面，处理成本和能源消耗巨大。在这个背景下，二氧化钛光催化技术成为了一种重要的选择。本文通过概述二氧化钛光催化降解有机污染物的机理及应用研究，探究这种技术的优点、不足以及未来发展方向。 一、二氧化钛光催化降解有机污染物的原理 二氧化钛是一种半导体材料，在光照下能够产生电子空穴对，这种电子空穴对 可以与周围的水和氧分子发生反应，形成活性氧种，如羟基自由基（·OH）。这些 活性氧种能够对有机物进行氧化反应，分解有机物分子，并最终降解为水和二氧化碳等无害物质。 二、二氧化钛光催化降解有机污染物的应用研究 二氧化钛光催化技术已经被广泛应用于水和空气的治理领域。在水处理领域， 研究表明，该技术可以有效地去除水中的有机物和重金属。通过加入二氧化钛催化剂和光源，可以在短时间内将水中的有机污染物转化为无害的水和二氧化碳等。例如，在中国的一个煤化工厂污水的处理中，利用二氧化钛光催化技术，将COD （化学需氧量）含量从500mg/L降至20mg/L，去除率高达96%。在空气净化领域，二氧化钛光催化技术可以降解空气中的有机污染物和氮氧化物等。 三、二氧化钛光催化技术的优点和不足 相较于传统的水和空气净化技术，二氧化钛光催化技术具有诸多优点。例如： 1. 高效能：该技术可以在较短时间内将有机物转化为无害物质，效率高。

2. 对污染物的选择性较高：该技术对不同类型的有机物的降解效率有一定的差异，对不同类型的污染物有更好的选择性。 3. 呈现环保特性：该技术无需添加任何化学试剂，不产生二次污染，能有效保护环境。 然而，二氧化钛光催化技术仍然存在一些不足之处，例如： 1. 催化剂的失活问题：在实际运用过程中，二氧化钛催化剂很容易因为污染、损毁等问题失活，导致技术效率降低。 2. 技术运用的限制：该技术需要使用恰当的光源，并需要对催化剂的种类、浓度和温度等进行合理的控制，才能保证催化效率和稳定性。 四、二氧化钛光催化技术发展的方向 二氧化钛光催化技术的发展仍需进一步深入研究。未来，该技术在以下几个领域有望突破发展： 1. 催化剂的研究和开发：发展新型的催化剂，提高二氧化钛光催化处理污染物的效率和稳定性。 2. 技术运用的拓展：将二氧化钛光催化技术应用于更广泛的领域，例如土壤、废气等的治理领域。 3. 多技术联用：将二氧化钛光催化技术和其它处理技术联用，发挥互补效应，从而发挥更好的治理效果。 总之，二氧化钛光催化技术作为一种低成本、高效能、环保的处理技术，有望成为未来有机污染物治理的重要选择。在未来的发展过程中，应继续加大对该技术的研究和开发，以此保证其在实际运用于污染物治理中的效果和稳定性。

光解催化氧化机理及应用

引言 近年来, 二氧化钛由于具有十分优秀的光催化性能得到了广泛的研究，自FUJISHIMA和HONDA 分解水及FRANK和BARD 处理水中有机污染物具有广阔的应用前景。因此， 究具有十分重要的工业前景和理论研究价值。 光催化 光催化是 在一定波长光照条件下，半导体材料发生光生载流子的分离，然后光生电子和空穴在与离子或分子结合生成具有氧化性或还原性的活性自由基，这种活性自由基能将有机物大分子降解为二氧化碳或其他小分子有机物以及水，在反应过程中这种半导体材料也就是光催化剂本身不发生变化。这种半导体光催化剂在光催化反应过程中起的作用就是光催化作用。 光催化基本原理 半导体的能带结构通常是由一个充满电子的低能价带(valent band,

VB)和一个空的高能导带(conduction band, CB)构成，价带和导带之间的区域称为禁带，区域的大小称为禁带宽度。半导体的禁带宽度一般为0.2～3.0 eV，是一个不连续区域。半导体的光催化特性就是由它的特殊能带结构所决定的。当用能量等于或大于半导体带隙能的光波辐射半导体光催化剂时，处于价带上的电子(e-)就会被激发到导带上并在电场作用下迁移到粒子表面，于是在价带上形成了空穴(h+)，从而产生了具有高活性的空穴/电子对。空穴可以夺取半导体表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸光的物质被激活并被氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。 TiO2的光催化原理 TiO2 光催化反应机理TiO2 属于一种n 型半导体材料,TiO2 的禁带宽度为3. 2 eV ,当它受到波长小于或等于387. 5nm 的光线照射时,价带中的电子就会被激发到导带上,形成带负电的高活性电子e - ,同时 在价带上产生带正电的空穴h + (h + 的氧化电位以标准氢电位计为3. 0 V ,比起氯气的1. 36 V 和臭氧的2. 07V ,其氧化性要强得多) ,形成电子一空穴对的氧化—还原体系。在电场的作用下,电子与空穴发生分离,迁移到粒子表面的不同位置。分布在表面的空穴h+ 可以将吸附在TiO2 的OH一和H20 分子氧化成羟基自由基(·OH ,其标准电极电位为2. 8OV) 。·OH 的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO2和H2O等无害物质。

半导体光催化

TiO2 光催化剂在癌症方面的应用 1.TiO2的催化机理 现如今，半导体光催化剂在各个领域的应用与实用性使得它对于我们来说并不陌生。比如TiO2，我们知道当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子，同时在价带留下空穴。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH-或H2O发生作用生成HO·。HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为它是光催化反应体系中主要的氧化剂。光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。也正因为如此，半导体催化剂具有自洁、去污、杀菌、除臭、去除NO x等功能。 2.关于癌症方面的研究

众所周知，癌症已成为当今世界威胁人类健康和生命的主要疾患,据世界卫生组织统计,全世界每年死于癌症的有数百万人。目前除了常用的手术疗法、放射疗法、化疗疗法外,出现了一系列新方法,如光动力学疗法、热疗法和电化学疗法等。如上所述，纳米TiO2n型半导体,在紫外光的照射下会产生光生电子空穴对,在水溶液体系中进而产生氧化性很强的HO·和O2-·自由基。这些自由基具有分解有机物和杀死细菌、细胞的能力。1991年,首次报道了纳米TiO2对癌细胞的光催化杀伤作用。现在纳米TiO2粉末被认为是一种光动力学疗法中的较有希望的新颖光敏剂。 （一）出现 在较早时期，国内外鲜少有关于TiO2光催化剂杀灭癌细胞的报道，日本学者藤井昭是TiO2光催化氧化杀灭肿瘤细胞研究的最早开拓者。最初，他们通过热解技术将TiO2薄膜沉积在涂覆有SnO2的玻璃片上，将宫颈癌细胞至于TiO2 薄膜上培养，然后以TiO2 薄膜做工作电极，以Ag/AgCl和Pt分别作参比电极和对电极，磷酸盐溶液做电解液。使用500W高压汞灯照射TiO2电极，由恒电位仪调节不同的电位。结果发现当TiO2电极电位为0.5V时，TiO2电极上培养的宫颈癌细胞被完全杀死，细胞成活率与阳极光电流成反比。考虑到TiO2颗粒更适用于人体的研究，随后他们又进行了光激发TiO2颗粒抗肿瘤活性的体内和体外实验。通过单纯用紫外光、单纯用TiO2及在紫外光照作用下，用TiO2的一系列对照试验，结果表明在体外光激发TiO2颗粒对HeLa 细胞和T24细胞（人体膀胱细胞）具有显著的杀灭效果，在体内具有显著的抗肿瘤效果。体外TEM实验表明，TiO2颗粒不仅分布在细胞膜上，而且也分布在细胞质中。体内试验时，将体外传代培养的HeLa细胞植入裸鼠的背部，当肿瘤长到越0.5cm 时，注射含有极细TiO2颗粒的溶液，两三天后，手术打开长有肿瘤的皮，直接用高

二氧化钛光催化原理

TiO 2光催化氧化机理 TiO 2属于一种n 型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev （锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm 的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e -）;而价带中则相应地形成光生空穴(h +)，如图1-1所示。 如果把分散在溶液中的每一颗TiO 2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO 2表面不同的位置。TiO 2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h +则可氧化吸附于TiO 2表面的有机物或先把吸附在TiO 2表面的OH -和H 2O 分子氧化成 ·OH 自由基，·OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO 2和H 2O 等无害物质。 反应过程如下： 反应过程如下： TiO 2 + hv → h + +e - (3) h + +e - → 热能 （4） h + + OH- →·OH (5) h + + H 2O →·OH + H + (6) e- +O 2 → O 2- （7） O 2 + H+ → HO 2· (8) 2 H 2O ·→ O 2 + H 2O 2 (9) H 2O 2 + O 2 →·OH + H + + O 2 (10) ·OH + dye →···→ CO 2 + H 2O (11) H + + dye →···→ CO 2 + H 2O (12) 由机理反应可知,TiO 2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。 Ti02光催化氧化的影响因素 1、 试剂的制备方法 常用Ti02光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。不同方法制

TiO2光催化原理和应用

TiO2光催化原理及应用 一.前言 在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界围每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并且可能导致二次污染。包括我国在世界围广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比较安全的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。 自然界中，植物、藻类和某些细菌能在太的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或硫化氧）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）。这种光合作用是一系列复杂代反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反应中最简单的形式，但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。 半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物(有机物、无机物)分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域，它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目的，对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。 二.TiO2的性质及光催化原理 许多半导体材料(如TiO2，ZnO，Fe2O3，ZnS，CdS等)具有合适的能带结构可以作为光催化剂。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存 以其化学性质稳定、氧化-还在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO 2 原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。 TiO 属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板2

二氧化钛的光催化性能及其应用

二氧化钛的光催化性能及其应用 作者姓名秦幸海 学号************ 专业无机非金属材料 指导教师姓名王峰

目录 摘要 (3) 第一章二氧化钛的性能 (3) 1.1二氧化钛的结构 (3) 第二章反应机理 (4) 2.1光催化反应机理 (4) 2.2杀菌机理 (5) 2.3光催化活性的影响因素 (5) 第三章二氧化钛催化剂的应用 (7) 3.1在空气净化方面的应用 (7) 3.2在水处理方面的应用 (7) 3.3在其它方面的应用 (8) 第四章结束语 (9)

摘要 二氧化钛是一种应用广泛的半导体材料，它因成本低、稳定性好、对人体无毒性，并具有气敏、压敏、光敏以及强的光催化特性而被广泛应用到传感器、电子添料、油漆涂料、光催化剂以及其它化工原料等[1-3]，国内外很多科技工作者投身到二氧化钛的研究开发之中，每年都有大量论文报道。80年代末以来人们在纳米二氧化钛的制备工艺和性能研究方面做了大量工作。特别是在利用二氧化钛光催化降解污水等方面取得了一定成果，本文就二氧化钛在光催化方面的研究现状做分析，并就其应用前景的提出几点看法。 关键词：二氧化钛光催化性能应用

第一章二氧化钛的性能 1.1二氧化钛的结构 二氧化钛，俗名为钛白粉，有3种晶型：锐钛矿型(Anatase，简写为A )、金红石型(R utile简写为R ) 和板钛矿型，三者在自然界中都存在。其中, 板钛矿型在自然界中很稀有,属斜方晶系,是不稳定的晶型,因而没有工业价值。但是锐铁矿和金红石相在自然界普遍存在，在光催化领域有广泛的应用。金红石和锐钛矿两者均为四方晶系,晶型结构均可由相互衔接的Ti06八面体表示。两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互衔接的方式不同,如图1所示。在金红石相中,晶体结构表现为氧离子近似六方最紧密堆积,钛离子位于变形的八面体空隙中,构成[Ti06]八面体,铁离子的配位数为六,氧离子的配位数为三,[Ti06] 配位八面体沿C轴共棱成链状排列,链间由配位八面体共角顶相连,Ti06八面体有稍微的畸变,金红石型中每个八面体与周围10个八面体相连(其中两个共边, 八个共顶角),而锐铁矿型中每个八面体与周围8个八面体相连(四个共边,四个共顶角) 。这些结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度和电子能带结构。锐钛矿型的质量密度 (3.894 g*cm_3) 略小于金红石型 (4.250 g*cm_3), 带隙(3.2eV) 略大于金红石型(3.0 eV)。通常,锐钛矿相 Ti02 在高温热处理下会逐渐转变成金红石相。金红石TiO2具有很高的热稳定性因此锐钛矿由于其低的介电常数和质量密度以及高的电子迁移率是公认具有较高光催化活性的光催化材料。[1]