纳米tio2的光催化性能及其在有机污染物降解中的应用

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1、纳米TiO2具冇光催化性能，利用太阳光能将冇机污染物矿化为C02和H20纳米TiO2的光催化性能及其在有机污染物降解中的应用魏刚贵海燕熊蓉春北京化工大学（100029）摘要纳米Ti02具有光催化性能，利用太阳光能将有机污染物矿化为C02和H20。从Ti02的光催化降解机理入手，详细讨论了影响纳米Ti02光催化性能的因素及提高光催化性能的方法，列举了纳米Ti02在有机污染物光催化降解屮的应用，提出了目前尚且存在的一些问题及其解决的途径。关键词Ti02光催化有机污染物降解1前言随着石油工业的发展，以石油裂解产物为原料进行合成的宥机产品越来越多，不可避免地

2、带来环境污染问题。随着对环境认识的不断深入和水处理技术不断提商，利用半导体光催化作用降解和消除有害有机物，就引起人们极大的关注，这种方法具有商效、节能、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。其屮，纳米Ti02尤为引人注目。纳米Ti02在光照射下产生强烈的氧化能力，可把水和空气中的许多难分解有毒有机污染物氧化分解为二氧化碳、水等无机物，其优点是：反应条件温和，能耗低，在紫外光或太阳光照射下即可发生光催化反应；反应速度快，废水停留时间仅需要几分钟到几小时；降解没有选择性；无二次污染；应用范围广。2机理Ti02属于N型半导体材料，具有能带结构，-•般

3、山填满电子的低能价带和空白的高能导带构成，价带和导带间存在禁带。Ti02的禁带宽度为3.2cV，当它吸收波长小于或等于387.5nm的光子后，价带上的屯子（e）被激发跃迁至导带，形成带负电的高活性电子同时，在价带上产生带正电的空穴（hvb_）,在电场作用下，电子与空穴分离并迁移到粒子表而。光生空穴有很强的捕获电子能力，具有强氧化性，可将吸附在Ti02表面的OH—和H2O分子氧化成•OH自山基。其反应机理可用下式表示：TiO2+H2O->e+h*H++H2O—•OH+H+H++0H->•OHO2+e•-*•O2*•O2+H+->HO2•2IIO2•-O

4、2+II2O2H2O2+O2•OH+OH+O2•OH自由基的氧化能力很强，能将大多数育机污染物及部分无机污染物氧化降解为CO2,H2O等无害物质，且•OH对反应物无选择性，在光催化氧化中起着决定性作用。3影响光催化活性的因素3.1晶体结构用于光催化的纳米TiO2有金红石和锐钛矿两种晶型，由于在两种晶体屮Ti-0八面体的畸变程度和八面体间相互联接的方式不同，使两种晶型在质量密度及电子能带结构上存在差别。金红石型TiO2对02的吸附能力较差，比表面积较小，光生电子和空穴容易复合，使催化活性受到一定影响：锐钛矿型TiO2由于晶格中存在较多缺陷和位错，能产生

5、较多氧空位来捕获电子，因而活性较髙。另外，焙烧温度也影响光催化活性，当焙烧温度商于773K时，由于半导体晶粒的增大，导致表面积下降和相变产生的金红石相增多，光催化活性逐渐降低，最终几乎完全失去活性。锐钛矿型和金红石型TiO2所构成的混合晶型的光催化活性，往往比单一晶型TW2的光催化活性强。这可能是因为，当二者以一定比例共存时，相当于两种半导体构成的复合半导体，可使光生空穴和电子发生有效分离，减少其复合的几率，因此活性提髙。3.2粒径TiO2粒子的尺寸越小，比表面积越大，光吸收效率越髙，宥利于光催化反应在表面上进行，因此活性增强。有资料表明：晶粒尺汴从

6、30nm减小到10nm,TiO2光催化降解苯酚的活性提髙了近45%。当粒子的大小在1〜10nm吋，就会出现虽子效砬，成为量子化粒子，禁带明显变宽，使空穴一电子对具宥更强的氧化一还原能力。催化活性将随尺、?量子化程度的提商而增加。仴随着尺、r量子化程度的提商，禁带变宽，吸收谱线蓝移，将导致TiO2光敏化程度变弱，对光能的利用率降低◊同吋，粒度过细乂容易发生二次凝集，不利于分散。因此，在实际应用屮要选择一个合适的粒径范围。TiO2粒子的孔隙率、孔径及其分布、表面水合状态、羟蕋化作用、表面电荷、杂质？穴纯度?雪以及Ti()2制备条件等对催化活性均有影响。3

7、.3催化剂用量用TW2光催化降解奋机磷时发现，若光照时间一定，随着TiO2薄层附着量的增加，宥机磷农药的光解率逐渐提商；当TiO2薄层附着量超过时，光解率蕋本恒定。这是因为，当附着量到达一定值后，形成的TiO2薄层比较致密，可将到达表面的光子全部吸收，薄层表面产生的*0II基本保持恒定。因此，光解率变化不大，趋于一定值。3.4光强光催化所用光源多为髙压汞灯、黑光灯及紫外线杀菌灯。光强低于1X10'4umol/(m2•s),酿的降解速率与光强度成正比;光强大于2X10'4umol/(m2•s)时,由于光生空穴一电子对的复合，酚的降解速率与光强的平方根成

8、正比；D.Bahnemann等用TiO2光催化降解三氯平烷时，也发现这一规俥。3.5有机污染物浓度通常，被降