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改性纳米TiO_2光催化剂的研究进展及表征方法
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第26卷第1期2009年2月
Vol.26No.1February2009
改性纳米TiO2光催化剂的研究进展及表征方法
罗东卫，程永清，秦华宇，冯
（西北工业大学，陕西西安710072）摘要：主要介绍了近几年来利用掺杂改性改善TiO2光催化性方面所取得的进展及常用的表征方法，并对其发展
蕾
进行了展望。关键词：纳米TiO2；改性；光催化剂；进展；表征方法
1
前
言
自1972年，Fujishima和Honda[1]发现n-型半光催化技术得到导体TiO2材料光催化分解水以来，了广泛关注。目前，用于光催化的半导体材料主要是宽禁带的n-型半导体，包括：TiO2、ZnO、ZnS、CdS、SnO2、WO3等十几种。但是，TiO2由于其具有催化活性高、化学性质稳定、抗磨损且无毒等优点，成为一种理想的环保型催化材料，在诸多领域有着广泛的应用前景。TiO2光催化剂其本身也存在一些缺陷：禁带宽度为3.2eV，其对应吸收波长为387.5nm，光吸收仅在紫外区。能够激发TiO2光催化剂的这部分紫外光仅占到达地球表面的太阳光中的3%～5%，且TiO2量子效率最多不高于28%，太阳光的利用率仅在1%左右，大大限制了对太阳能的利用[2]。因此，人们对TiO2进行了大量改性研究，以提高TiO2的光催化活性和催化效率。本文在分析各种改性方法的机理和效果的基础上，介绍了近年来纳米TiO2光催化材料的改性研究所取得的进展以及常用的表征方法，并展望了其今后的发展方向。
自由基，从而起到降解污染物、杀菌、净化环境及光电转化的作用。当然，产生的光生空穴和光生电子也有复合的可能。其反应式有：TiO2?hvTiO2+h++e?→H2O+h+→·OH+H+O2+e-→·O2-·O2-+H+→·HO22·HO2→O2+H2O2H2O2+·O2-→·OH+OH-+O2H2O2+e-→·OH+OH复合h++e-???hv或热→
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纳米TiO2的改性方法
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纳米TiO2光催化机理
纳米TiO2光催化降解的机理是TiO2在波长小于或等于387.5nm紫外光照射下，价带电子被激发跃迁到导带，从而产生具有很强反应活性的电子空穴对，其迁移到TiO2表面后与吸附在TiO2表面上的H2O和O2等作用，生成具有很强氧化性的羟基自由基（·OH）、超氧离子自由基（·O2-）以及·HO2
从纳米TiO2的光催化机理可知，光催化反应的进行首先要激发源的能量等于或大于半导体禁带宽度的能量值。这样才能激发价带上的电子到导带，在价带上产生相应的空穴，产生电子-空穴对。然而，由于纳米TiO2光吸收波长范围比较有限，且激发产生的电子-空穴对复合的可能性也比较大，因此人们对纳米TiO2进行了掺杂改性研究，主要从以下2个方[3]面着手：一是降低禁带宽度，扩大起作用光的波长范围；二是加入俘获剂以阻止光生电子-空穴对的复合以提高量子效率。3.1金属离子掺杂金属离子掺杂改性纳米TiO2目前研究相对较多。从化学观点来看，金属离子的掺入可能在半导体晶格中引入缺陷位置或改变结晶度，成为电子或
收稿日期：2008-10-14作者简介：罗东卫（1981-）男，，硕士，主要从事纳米TiO2制备与改性的研究工作，电话：[phone]，E-mail:[e-mail]。
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空穴的陷阱而延长寿命，影响了电子与空穴的复合或改变了半导体的激发波长，从而改变TiO2的光催化活性。半导体中掺杂不同的金属离子，引起的变化是不一样的。刘晓璐等[4]采用溶胶-凝胶法制备了掺Ag+复合改性的纳米TiO2复合材料，日光下光照3h对甲基橙的分解率可达97%。孙明等[5]制备了Fe3+掺杂的TiO2光催化剂，实验结果表明，掺铁0.5%、煅烧温度为400℃的TiO2催化率比未掺杂的TiO2纳米粉约提高了1倍。吴树新等[6]利用Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu6种过渡金属分别掺杂的TiO2光催化剂，其改善光催化性能程度按Cr、Co、Ni、Fe、Mn和Cu顺序递增。通常掺杂金属离子以单组分金属离子掺杂为主，但也有多组分金属离子的研究报道。如刘崎等人[7]采用溶胶-凝胶法制备了同时掺杂铁镧、铁锡的双元素掺杂纳米TiO2粉体，并通过甲基橙溶液光催化降解实验发现，以同时掺0.05%铁和0.02%镧的效果最好。在光催化降解实验中，在掺0.05%铁的基础上掺0.02%镧的粉体其光催化效率约为在掺0.05%铁基础上掺0.02%锡的粉体的1.5倍。3.2非金属元素掺杂研究表明，除掺杂金属元素外，非金属元素掺杂也可以实现TiO2光催化剂的可见光响应活性，且正成为光催化研究