光催化劑SO42-/TiO2和TiO2的光譜行為比較分析

任小賽

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）首先介紹了什么是“光催化劑”，其次以為切入點(diǎn)，圍繞其光譜行為展開了一系列實(shí)驗(yàn)，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，深入分析了二者的光譜行為。

世界的持續(xù)發(fā)展所面臨問題，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，分別是環(huán)境惡化和資源短缺。作為節(jié)能環(huán)保材料的TiO2，可以借助太陽能，對(duì)光生電子、光生空穴進(jìn)行激發(fā)，為環(huán)境污染的治理提供支持，但是，光催化量子效率較低，給TiO2的應(yīng)用帶來了制約，如何使TiO2的價(jià)值得到實(shí)現(xiàn)，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 光催化劑的原理

以TiO2為代表的光催化劑，多數(shù)被劃分至半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，能帶結(jié)構(gòu)與金屬、絕緣物質(zhì)存在顯著差別，可以說，光催化劑處于導(dǎo)帶與價(jià)帶之間，主要分為氧化物催化劑、非氧化物催化劑兩種，前者的代表即為TiO2，后者的代表則是CuS。

考慮到半導(dǎo)體光吸收閾值、帶隙關(guān)系，寬帶隙半導(dǎo)體吸收波長的閾值，通常位于紫外區(qū)域，利用高于吸收閾值的光子能量對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行照射，往往會(huì)出現(xiàn)價(jià)帶電子帶間躍遷的情況，具體來說，就是由價(jià)帶向?qū)кS遷，光生電子、光生空穴隨之產(chǎn)生。此時(shí)，納米顆粒表面所吸附溶解氧，通過虜獲電子的方式，生成大量超氧負(fù)離子，光生空穴會(huì)將催化劑表面所吸附水、氫氧根離子氧化為氫氧自由基，無論是超氧負(fù)離子還是氫氧自由基，所具有氧化性均不容忽視，不僅大部分有機(jī)物都會(huì)在超氧負(fù)離子、氫氧自由基的作用下被氧化，產(chǎn)生CO2、H2O，部分無機(jī)物也能夠被徹底分解[1]。

2 光譜行為比較實(shí)驗(yàn)

近幾年，專家和學(xué)者以提高光催化劑效率為出發(fā)點(diǎn)，展開了一系列研究，包括：氮改性、外加場(chǎng)、合成特殊形貌等，針對(duì)光催化研究重點(diǎn)TiO2進(jìn)行的研究自然也更加深入。本文以光譜行為作為切入點(diǎn)，圍繞兩種光催化劑的表現(xiàn)，展開了實(shí)驗(yàn)，供有關(guān)人員參考。

2.1 制備光催化劑

2.1.2 TiO2的制備

室溫環(huán)境下，首先向適量的去離子水中，滴加定量的鈦醇鹽，劇烈攪拌30～60min；其次，加入調(diào)節(jié)溶液pH值的HNO3，長時(shí)間攪拌，得到透明溶膠，將溶膠烘干，得到干凝膠，再次，對(duì)干凝膠進(jìn)行烘干與燒結(jié)，最后，獲得TiO2光催化劑。

2.2 拉曼光譜

測(cè)量工具有光譜儀、寬程分束器、InGaAs檢測(cè)器。測(cè)量條件如下：功率為300mW；掃描次數(shù)32次；波段范圍50～1000cm-1；分辨率4cm-1。

2.3 紅外光譜

在光譜儀上，采用固體壓片進(jìn)行檢測(cè)，掃描次數(shù)32次，波段范圍370～4000cm-1，分辨率4cm-1。

2.4 紫外漫反射光譜

在6MPa的壓力下，將樣品制作成圓片，以標(biāo)準(zhǔn)白板作為參比，利用裝有積分球的光度計(jì)，對(duì)漫反射譜進(jìn)行測(cè)量與繪制。

2.5 吸附吡啶紅外光譜

壓縮40mg樣品，獲得13mm薄片，在自制的石英樣品池中，放入所獲得薄片，置于適當(dāng)活化溫度下，進(jìn)行2h預(yù)處理，再利用光譜儀，對(duì)紅外光譜進(jìn)行記錄。測(cè)量條件如下：首先，掃描次數(shù)100次；波段范圍1400～1600cm-1；分辨率4cm-1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 拉曼光譜

3.2 紅外光譜

3.3 紫外漫反射光譜

TiO2的譜圖并未發(fā)生明顯變化，的譜圖，則出現(xiàn)了吸收帶邊藍(lán)移的情況，表現(xiàn)為吸光度減小，研究表明，表觀吸光度會(huì)隨著粒度減小而逐漸降低，如果存在水分，則會(huì)加大散射能力降低的可能性，表觀吸光度自然增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，的表觀吸光度有所降低，由此可見，在諸多可能影響表觀吸光度的因素中，起主要作用的為粒度。

吸收帶邊藍(lán)移，使得光吸收閾值不斷增大，光生電子、光生空穴在氧化、還原方面具有的能力顯著增強(qiáng)，這為光催化對(duì)污染物進(jìn)行分解提供了便利。吸收帶邊藍(lán)移的原因，主要有兩個(gè)：其一，擁有小于TiO2的晶粒，結(jié)合尺寸量子效應(yīng)的相關(guān)理論可知，粒徑越小的納米材料，通常擁有越寬的帶隙；其二，硫酸化對(duì)銳鈦礦相金紅石進(jìn)行轉(zhuǎn)變的相變趨勢(shì)，具有明顯的抑制效果，樣品具有比TiO2更少的金紅石含量，另外，金紅石又具有比銳鈦礦更窄的帶隙寬度，這也會(huì)導(dǎo)致吸收帶邊藍(lán)移。

3.4 吸附吡啶紅外光譜

4 光催化劑的實(shí)際應(yīng)用

4.1 環(huán)境治理

首先，降解汽車尾氣的有害成分，例如，NO、SO2等；其次，還原水溶液無機(jī)金屬離子，去除水溶液金屬離子的難度較大，極易帶來二次污染的問題，對(duì)光催化劑加以應(yīng)用，既能夠起到節(jié)約能源的目的，又避免了不必要的污染；再次，降解水溶液無機(jī)非金屬離子，例如，可以將CN-降解成為N2、CO2和最后，消除甲醛、二甲苯等室內(nèi)有毒氣體。

4.2 資源節(jié)約

作為清潔能源的代表，H2擁有廣闊的發(fā)展前景，目前，有關(guān)人員已經(jīng)掌握利用光解水，對(duì)進(jìn)行制備的方法，如果能夠使光催化所具有轉(zhuǎn)化率得到提高，社會(huì)所面臨資源短缺問題，自然能夠得到緩解，另外，光催化劑的應(yīng)用方向，還包括太陽能電池。

4.3 有機(jī)合成

利用TiO2微粒，使催化劑表面有聚甲基氧硅烷生成，為光催化劑的有機(jī)合成指明了方向，近幾年，在有機(jī)合成領(lǐng)域，光催化劑得到大量應(yīng)用，所取得效果也十分突出。

5 結(jié)論

綜上所述，將TiO2與硫酸進(jìn)行結(jié)合能夠發(fā)現(xiàn)，SO42-/TiO2作為光催化劑，不僅對(duì)酸催化反應(yīng)表現(xiàn)出了較高的活性，還對(duì)控制、治理環(huán)境污染，具有積極作用。對(duì)光催化劑所表現(xiàn)出的光譜行為進(jìn)行比較與分析，其目的主要是優(yōu)化現(xiàn)有光催化劑的性能，在彌補(bǔ)不足的基礎(chǔ)上，使其所具有積極作用得到充分發(fā)揮。