光催化材料

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　　光催化材料是指在光作用下可以诱发光氧化一还原反应的一类半导体材料。

　　1.TiO₂光催化材料及其改性研究

　　目前，以TiO₂为代表的半导体光催化剂研究最为成熟，它可以有效地利用太阳光(紫外线)降解绝大多数有机污染物、细菌和部分无机物，降解最终产物为H₂0、CO₂。和无害的盐类，产物清洁，能达到净化环境的目的。一方面，单纯的TiO₂。光催化效率不高，而且光响应范围较窄，在紫外光区，太阳光利用率低；另一方面，半导体光生电子一空穴对的复合几率较高，处于激发态的空穴与电子极易通过以下几种途径失活：1)电子与空穴的重新复合；2)迁移到粒子表面与吸附的其他电子给体或受体发生氧化还原反应；3)被亚稳态的表面捕获等，从而制约了其发展。因此，对于TiO₂。的改性研究，提高其光催化效率，扩大它的光响应范围，是近些年主要的研究方向。

　　TiO₂的改性研究主要通过贵金属沉积、掺杂过渡金属离子、有机染料光敏化以及半导体复合等方法引入杂质或缺陷，从而改善TiO₂的光吸收，提高量子效率和光催化反应速度。

　　1)贵金属沉积。贵金属沉积对改善光催化剂反应效率是十分有效的，贵金属的选择也十分重要。在TiO₂表面沉积1层Ag、Pt、Au、Pd等贵金属，相当于在TiO₂表面形成了1个以TiO₂及惰性金属微电极的短路微电池，从而能有效地抑制光生电子和光生空穴的复合，提高催化剂的光催化性能。目前研究较多的是Pt的沉积。

　　2)离子掺杂。在TiO₂表面适当地引入一些金属离子，如Fe^{3 +} 、Mo^{5 +} 、Rn^{2 +} 、Os^{2 +} 、Re^{2 +} 、V^{5 +} 等，可以在TiO₂表面引入缺陷或改变结晶度，从而降低空穴与电子的复合几率，延长复合时间，提高TiO₂。光催化活性。

　　3)半导体的耦合。2种不同禁带宽度的半导体的互补性质抑制了电子、空穴的复合，增强了电荷分离以及扩展了光能激发的范围。近几年来报道的SnO₂-TiO₂、WO₃-TiO₂、ZrO₂-TiO₂、V2O₅-TiO₂都表现出高于单一半导体的光催化性能。

　　4)有机染料光敏化。有机染料分子可以吸收太阳光，从而使电子从基态跃迁至激发态，只要活性物质激发态电势低于半导体的导带电势，光生电子就有可能输送到半导体的导带上，而空穴则留在染料分子中，有效地抑制了电子与空穴的复合。这些光敏化物质在可见光下有较大的激发因子，使光催化反应延伸到可见光范围。常用的光敏化物质有劳氏紫、酞菁、玫瑰红、曙红等。

　　2.其他光催化材料

　　除了TiO₂及其改性材料，其他的光催化材料，如Fe₂O₃、SnO₂、Co₃O₄、LaFeO₃、LaCoO₃等的研究也取得了很大进展。如李爱梅等利用固相法、回流均匀沉淀法和超声均匀沉淀法等3种方法，制备了多种可见光响应半导体催化剂——氧化铁，并发现其在一定条件下对造纸废水COD有较好的去除效果。郭广生等以CO(NH₂)₂、SnCl₄·5H₂O为原料，采用均匀沉淀法制备了纳米SnO₂粒子，粒径范围在8～30nm ，且具有良好的分散性能。中科院福建物质结构研究所王元生课题组采用简易的水热法，实现了SnO₂纳米棒在α-Fe₂O₃。前驱晶体表面的晶体学定向生长，成功制备了高纯度的SnO₂／α-Fe₂O₃。复合材料。另外，Bi-Ti-O系新型光催化材料也有新的发展，Bi₄Ti₃O₁₂。是典型的铁电材料，在压电、光存储和电光器件上有着广泛的应用，研究发现，在TiO_2中掺杂Bi时，钛酸铋具有较高的光催化性能，是一种很有前景的新型光催化材料。

　　纳米二氧化钛问世于80年代后期，根据TiO₂粉末晶体结构，将其分为金红石型(Rutile)、锐钛矿型(Anatase)、板钛矿型和无定型TiO₂。TiO₂独特的光学性能及其电性能，使其在催化剂领域、抗紫外线吸收剂、气敏传感器件等众多领域具有广泛的应用前景，在光电池方面也显示出巨大的应用潜力。其独特的超亲水性和斥水性也使其在日常生活及国防工业中有独特的应用。

　　1.在污水处理方面的应用

　　利用TiO₂的光催化性能来处理废水是一种行之有效的改善环境的方法。纺织印染工业和照相工业的污染物，大多数是有毒的，且难以生物降解，近年来已证明可用TiO₂光催化降解。工业有毒溶剂，化学杀虫剂，木材防腐剂、染料等，如卤代烃、有机酸类、苯的衍生物、烃类、酚类、表面活性剂等也可被TiO₂光催化降解。

　　2.在空气净化方面的应用

　　TiO₂作为空气净化材料可有效地降解室内外有机污染物，氧化除去大气中氯氧化物、硫化物以及各类臭气等，还可有效地降解室内有害气体如装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨等。

　　3.表面防雾、防露

　　通常情况下，TiO₂TiO_2 涂膜表面与水有较大的接触角，但经紫外光照射后，水的接触角减小到5°以下，甚至可达到0°。即水滴完全浸润在TiO₂表面，显示非常强的超亲水性。正常条件下，油性液体如乙二醇、十六烷、三油酸甘油酯等与TiO₂表面有较大的接触角，经紫外光照射后，这些液体也会完会浸润在玻璃镀膜表面。即经紫外光照射后，TiO₂表面具有水油两亲合性。属“超双亲性界面材料”，采用这种材料处理玻璃、瓷砖、农用薄膜，具有自洁、防雾等效果。

　　4.TiO₂的表面超疏水性

　　一般的斥水材料如氟树脂表面与水的接触角约为110°，而加入TiO₂后其表面与水的接触角可达160°，显示出超斥水特性。利用TiO₂表面的超斥水特性，可使其表面具有防雪、防水滴、防污等特性。结合TiO₂ 表面超亲水性和超斥性，在不同波长和时间的紫外光照射下，可实现TiO₂ 表面超斥水性和超亲水性间的相互转化，此特性在印刷业具有广泛的应用前景。

　　5.紫外吸收特性

　　由于纳米粒子的小尺寸效应和量子尺寸效应，诱导光吸收带蓝移，可以使原来在紫外波段没有吸收能力的常规材料通过纳米化技术的改造，而产生宽频带强紫外吸收能力，这就为设计新型的紫外屏蔽、紫外光过滤、抗老化、防降解的材料提供了新的机遇，扩大了选择的范围。有实验证明，30~40nm 的TiO₂纳米微粒树脂膜，是良好的紫外屏蔽、抗老化材料。具有紫外吸收能力的纳米微粒复合到油漆、涂料、防晒霜、化妆品以及高聚物塑料中可以制备出新型的纳米技术改性产品。纳米TiO_2是制备上述新产品的添加剂之一。据预测，在化妆品方面，日本每年作为防晒剂用于化妆品的原料，需求纳米TiO₂达1000T。用于化妆品的TiO₂粒径以30~50nm为最佳，晶型金红石型优于锐钛矿型。