TiO2材料光催化的研究

何美姿 金衛(wèi)濤 楊海龍 閆思琦

摘 ? 要：TiO2光催化材料以其環(huán)境友好這一優(yōu)勢成為當今世界的研究熱門。如今TiO2材料早已普遍用于涂料制作、生活生產等諸多領域。但是，其自身在光反應中因存在團聚現(xiàn)象而大大降低了光的反應活性。因此，為了解決自身缺陷，更多研究者對其進行表面改性。研究發(fā)現(xiàn)，改性后的TiO2不僅自身無毒，還有優(yōu)異的光催化活性，能有效避免團聚現(xiàn)象，降低催化成本，并且拓展了其應用。研究表明，在污水處理和大氣污染方面，改性后的TiO2具有很高的催化活性，期待在以后的研究中可以有效解決存在的環(huán)境問題。

關鍵詞：光催化;TiO2;TiO2負載;污水降解;綠色環(huán)保

近年來，隨著建筑行業(yè)、涂料染料行業(yè)以及各種化學制品行業(yè)的興起，環(huán)境問題日益凸顯，加上人們對環(huán)境要求的提高以及倡導綠色產品的呼聲越來越高，如何保證正常的生產和綠色環(huán)保之間的平衡變得刻不容緩。TiO2是一種環(huán)境友好型半導體材料，具有高活性、高穩(wěn)定性、無毒安全等優(yōu)勢，在現(xiàn)代污染控制領域得到了廣泛應用[1]，不僅可以在生產過程中做到無毒無害，滿足人們對綠色環(huán)保的要求，而且可以廣泛應用于涂料、食品添加劑、化妝品等必不可少的行業(yè)。隨著現(xiàn)代科學技術的進步，如何將TiO2光催化技術發(fā)展得更加完善成為當今世界研究的熱點。

1 ? ?TiO2材料光催化的研究背景

20世紀70年代，半導體光催化技術在各種因素的推動下誕生，并且以雨后春筍般的速度蓬勃發(fā)展起來。光催化技術在現(xiàn)代污染控制領域具有較好的發(fā)展前景，對于特定的污染物和污染體系的處理技術也實現(xiàn)了局部輔助處理的產業(yè)化[2]。基于現(xiàn)狀，研究學者發(fā)現(xiàn)，適合用作光催化的材料有很多，包括TiO2、ZnO以及部分銀鹽等，但基本都有一個缺點：存在損耗，而且大部分對人體都有一定的毒害。研究結果顯示，TiO2是所知的最有應用價值的光催化材料。所以，研究學者對TiO2用作光催化材料進行了大量的研究。

2 ? ?TiO2材料自身的研究與發(fā)展

2.1 ?單一TiO2材料的研究

納米TiO2是一種新興高性能材料，通常為白色疏松粉末的形態(tài)，其粒子尺寸在1～100 nm，與常規(guī)材料相比具有非常好的性能，因此在現(xiàn)代社會中有著十分廣泛的應用[3]。TiO2存在金紅石、銳鈦礦和板鈦礦3種形態(tài)。

作為環(huán)境友好型半導體材料，TiO2不僅具有綠色安全、無毒無害、穩(wěn)定性高以及催化性能好等優(yōu)點，而且能夠被廣泛應用于解決當今刻不容緩的環(huán)境問題，是當今世界研究的熱點。雖然TiO2作為光催化劑優(yōu)點很多，但其在實踐中存在兩面性，比如在光降解過程中團聚現(xiàn)象較為嚴重、對光的利用率不高以及回收和分離困難等。為了讓TiO2光催化材料能夠廣泛地應用在各個方面，發(fā)揮出特有的環(huán)境友好型半導體材料的優(yōu)勢，研究學者在TiO2光催化材料的基礎上對其進行表面改性以及負載等，并取得了很好的研究成果。

2.2 ?表面改性的TiO2材料的研究

TiO2具有很高的化學穩(wěn)定性、原料易得且無毒等優(yōu)點，被廣泛應用于各行各業(yè)，但納米級別的TiO2在光降解過程中團聚現(xiàn)象比較嚴重，而且容易在陽光照射或者紫外線照射的情況下失活，從而導致對光的利用效率較低[4]。各國研究學者們針對此情況進行了大量實驗得出，在TiO2材料使用之前，對其進行表面改性會得到很好的效果。

基于TiO2的表面改性方法大體上可以分為無機表面改性和有機表面改性。無機表面改性主要包括無機化合物包覆、離子摻雜法、金屬沉積法和強酸修飾法，有機表面改性主要包括偶聯(lián)劑法、表面活性劑法、有機聚合物包覆法、光敏化法以及高能量表面處理法[5]。

經過改性后的TiO2光催化材料不僅突出了良好的化學穩(wěn)定性、較高的活性以及無毒無害等優(yōu)點，而且降低了光催化的成本，使光催化反應擴展到可見光條件下，同時不影響其紫外光譜條件下的催化活性，提高了材料對可見光的整體利用率[6]，還可以有效減少納米TiO2團聚現(xiàn)象的發(fā)生，提高TiO2的分散性能、增加比表面積。經過改性后的TiO2材料大大提高了使用效率，如何更好地對其進行改性成為研究者感興趣的話題之一。

2.3 ?負載型TiO2材料的研究

鑒于TiO2光催化材料的廣泛應用及存在的優(yōu)缺點，單進行表面改性雖然能解決TiO2團聚問題和整體利用率較低的問題，但TiO2作為一種催化劑，其在反應之后存在分離和回收困難的問題。針對這一現(xiàn)狀，各國研究學者又提出負載型TiO2，從而滿足各行各業(yè)生產對TiO2的需求。

目前，常用的TiO2光催化劑載體主要有玻璃類、陶瓷類、吸附劑類和金屬類[7]。

經過改進后的負載型TiO2光催化材料，密度較之前小，甚至可以<1.0 g/cm3，研究表明，修飾后的TiO2材料漂浮在水面上，有利于回收和分離，并且可以增加催化劑的使用壽命。雖然經過改進后的負載型TiO2可以有效地改善催化劑的分離與回收問題，但是負載型TiO2的光催化性能都會有一定程度的下降，因此，找到既能實現(xiàn)催化劑固載化，又能保持原來光催化性能不下降的方法是當前重要的研究方向。

3 ? ?TiO2材料光催化的應用領域

3.1 ?TiO2光催化在污水污染方面的應用

近年來，隨著紡織行業(yè)以及化妝品行業(yè)的發(fā)展，由于各種染料用水、個人護理用水和生產用水等產生大量廢水并被排放到河流中，對人們的身體健康以及生活質量產生了嚴重的威脅，人們尤為重視水污染問題，但是如今傳統(tǒng)的處理方法并不能很好地解決日益嚴重的水污染問題，近年來，用半導體光催化技術處理廢水的方法被提出[8]。

半導體光催化技術可以用來處理水中的無機污染物以及有機污染物。水中的無機污染物不僅會引起水體污染，還會通過食物鏈傳遞到人體內，有機污染物以毒性和使水中溶解氧減少的形式對生態(tài)系統(tǒng)產生影響，危害人體健康。在降解過程中，可以在明確水位的同時設置可靠的填充性反應介質，攔截污染羽狀體，污染羽狀體經過反應介質區(qū)時可以和反應介質充分接觸，地下水中的污染物可以和反應區(qū)內的介質發(fā)生物理、生物和化學反應，經過降解作用將污染物去除，保證污染物的質量濃度降低到質量標準內[9]。為了將TiO2光催化技術更好地應用于水污染處理，完善TiO2光催化材料成為當今研究學者的重要任務。

3.2 ?TiO2光催化在大氣污染方面的應用

伴隨著經濟的快速發(fā)展，環(huán)境問題無法避免，各行各業(yè)的迅速發(fā)展導致空氣質量差、霧霾嚴重以及道路可見度低等問題。TiO2作為一種半導體光催化劑，有易回收、不產生二次污染的環(huán)保安全特性，故而在大氣污染的防控和治理中有著廣泛的應用前景[10]。

21世紀，人們面臨的最嚴峻的環(huán)境問題之一便是溫室效應，而造成溫室效應的一個主要因素就是機動車尾氣的排放。針對如今越來越不可控的大氣污染問題，各國研究者也提出了研究對策。目前，貴金屬三相催化劑是處理汽車尾氣的主要方法，該方法雖然有很高的催化轉化效率，但是也存在成本較高、有毒性等缺點。新型的TiO2光催化技術能夠有效降解汽車尾氣中的主要污染物，是一種有著廣泛應用前景的汽車尾氣處理技術[10]，比如TiO2光催化技術已被用來降低空氣中的NO質量濃度，不僅能夠很好地降解大氣中的大部分有害污染物，而且還具有成本較低、不會產生二次污染以及無毒無害的優(yōu)點。TiO2光催化技術在處理大氣污染方面的應用正在快速發(fā)展，希望有一天可以應用此項無毒無害的技術解決當今世界所共同面對的大氣污染問題。

4 ? ?結語

TiO2光催化材料憑借著自身的高活性、高穩(wěn)定性、原料易得且廉價、較高的可塑性以及綠色環(huán)保優(yōu)勢，在人們對綠色環(huán)保要求更加嚴格的情況下，在光催化材料中脫穎而出。不僅本身具有無毒無害、穩(wěn)定性好、活性高等優(yōu)點，還能夠被廣泛應用于各個領域，備受關注。如何將TiO2材料更好地應用于污染物降解已經成為當今世界的研究熱點。展望未來，基于TiO2的研究將會持續(xù)進行下去，并且逐漸滿足人們的需求，發(fā)展前景光明。

[參考文獻]

[1]吳聲敢，趙學平，蒼 濤，等.納米二氧化鈦在農藥領域的研究進展[J].浙江農業(yè)科學，2016，57（5）：669-674.

[2]李 鵬，樊少峰，康小華.二氧化鈦光催化在現(xiàn)代污染控制中的應用[J].廣東化工，2017，44（18）：110-111.

[3]徐斌海.光催化納米二氧化鈦材料及其應用的探討[J].科學技術創(chuàng)新，2019（16）：60-61.

[4]劉 標，高延敏，高 洋，等.納米二氧化鈦表面改性及其光催化性能研究[J].沈陽化工大學學報，2017，31（3）：218-222.

[5]武海燕.二氧化鈦表面改性的研究現(xiàn)狀[J].中國科技信息，2011（24）：54-56.

[6]曾祥蕊，衛(wèi) 靜，劉 欣.TiO2光催化劑改性研究進展[J].環(huán)境保護與循環(huán)經濟，2019（8）：28-31.

[7]李小紅，鄭旭煦，侯苛山.負載型二氧化鈦光催化劑的研究進展[J].重慶工商大學學報：自然科學版，2009，26（2）：105-108.

[8]林 嬋.TiO2納米材料的制備、改性及其光催化性能研究[D].青島：中國海洋大學，2014.

[9]葛寶義.納米二氧化鈦光催化及其在污水處理中的應用[J].石化技術，2016（6）：13.

[10]呂 鯤，張慶竹.納米二氧化鈦光催化技術與大氣污染治理[J].中國環(huán)境科學，2018，38（3）：852-861.