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光触媒材料简介
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日期:2019-07-26    

  目前,用于光催化降解环境污染物除甲醛除异味的光触媒多为n型半导体材料,如:TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2、Fe2O3等。其中TiO2因其化学稳定性高、耐光腐蚀、难溶、具有较深的价带能级,可使一些吸热的化学反应在被光辐射的TiO2表面得到实现和加速,加之其无毒、成本低,所以被广泛用作光催化氧化反应的催化剂。目前,光触媒主要是指以TIO2为主要光催化剂的总称.
TIO2的简介
  二氧化钛(Titanium dioxide),分子式:TiO2。它是白色细粒状粉末,无气味。二氧化钛俗称钛白粉,有板钛矿、金红石和锐钛矿三种晶型。其中金红石和锐钛型二氧化钛的应用较为广泛。它们均属四方晶系,4/mmmm点群。金红石型和锐钛型二氧化钛晶胞中分子数分别是2和4。晶胞参数分别是:金红石型a=4.593,c=2.959;锐钛型a=3.784,c=9.515。金红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密,有较高的硬度、密度、介电常数及折射率,其遮盖力和着色力也较高。而锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧化钛高,带蓝色色调,且对紫外线的吸收能力比金红石型低,光催化活性比金红石高。
  随着,材料科学的迅速发展,纳米材料的出现,大大地促进光触媒的发展.目前,光触媒的主要催化材料都以纳米锐态型TIO2为主要材料.其主要优点为:
  半导体催化剂光活性的先决条件是其带隙能Eg区间包含H2O/•OH对和(或)O2/HO2•对的氧化还原电位。一般说来,价带空穴的电位越正,导带电子的电位越负,则越易生成•OH自由基或过氧自由基,也就越容易催化氧化有机物。
  经研究发现,符合电位条件的半导体较多,但大多数半导体如ZnO,ZnS,CdS等较易发生光阳极腐蚀,故虽具有催化活性,但在进行环境污染物的治理,惟有TiO2既具有较高的光催化活性,又抗光阳极腐蚀,而且这种半导体材料还具有便宜易得,在酸碱条件下不溶,无毒无二次污染等特点。
另外,采用纳米TiO2作为光催化剂,从反应机理的角度来看:
  首先,从光催化机理上看,物质的降解速率必然与光生载流子e-和h+的浓度有关,而纳米级的TiO2随着粒径的减小,表面原子迅速增加,光吸收效率随之提高,从而增加表面光生载流子的浓度。计算表明晶粒尺寸大小对光生载流子的复合率有很大影响。粒径为1μm 的TiO2粒子中,电子从体内扩散到表面需10-7s,而10nm的TiO2仅需10-11s。因此粒子越小,电子空穴在粒子内的复合几率就越小,而且,只有吸附在催化剂表面的粒子才能与高活性的e-和h+进行反应。
  实验结果表明,催化反应的速率与该物质在催化剂上的吸附量有关。随着晶粒尺寸的减小,比表面增大,表面键态和电子态与颗粒内部不同,表面原子的配位不全导致表面活性位置增多,因而与体材料相比,活性更高,更有利于反应物的吸附,从而增加反应几率。
  同时,在光催化反应中,催化剂表面的OH-基团的数目将直接影响催化效果。TiO2浸入水溶液中,表面要经历羟基化过程,表面羟基团的数目为5~10个/nm2。晶粒尺寸越小,粒子中原子数目也相应减少,表面原子的比例增大,表面OH-基团的数目也随之增加,从而提高反应效率。再者,从能带理论上看,半导体价带的能级代表半导体空穴的氧化电位的极限,任何氧化电位在半导体价带位置以上的物质原则上都可以被光生空穴氧化;
  同理,任何还原电位在半导体导带以下的物质,原则上都可以被光生电子还原。TiO2是n型半导体材料,当其尺寸小于50nm时,就会产生与单晶半导体不同的性质,原因在于产生了尺寸量子效应,即半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中,从而导致能隙增大,导带能级负移,价带能级正移,从而使导带电位更负,价带电位更正,增强了TiO2的氧化还原能力,提高光催化活性。
 纳米TIO2的亲水性:
  在通常情况下,二氧化钛镀膜表面与水有较大的接触角,但经紫外光照射后,水的接触角减少到5度以下,甚至可以达到0度(即水滴完全浸润在二氧化钛表面),显示非常强的亲水性。停止光照后,表面超亲水性可维持数小时到1周左右,随后慢慢恢复到照射前的疏水状态。再用紫外光照射,又可表现为超亲水性,采用间歇紫外光照射就可以使表面始终保持超亲水状态。
 
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