光催化材料

出自 MBA智库百科(https://wiki.mbalib.com/)

　　光催化材料是指在光作用下可以誘發光氧化一還原反應的一類半導體材料。

　　1.TiO₂光催化材料及其改性研究

　　目前，以TiO₂為代表的半導體光催化劑研究最為成熟，它可以有效地利用太陽光(紫外線)降解絕大多數有機污染物、細菌和部分無機物，降解最終產物為H₂0、CO₂。和無害的鹽類，產物清潔，能達到凈化環境的目的。一方面，單純的TiO₂。光催化效率不高，而且光響應範圍較窄，在紫外光區，太陽光利用率低；另一方面，半導體光生電子一空穴對的複合幾率較高，處於激發態的空穴與電子極易通過以下幾種途徑失活：1)電子與空穴的重新複合；2)遷移到粒子錶面與吸附的其他電子給體或受體發生氧化還原反應；3)被亞穩態的錶面捕獲等，從而制約了其發展。因此，對於TiO₂。的改性研究，提高其光催化效率，擴大它的光響應範圍，是近些年主要的研究方向。

　　TiO₂的改性研究主要通過貴金屬沉積、摻雜過渡金屬離子、有機染料光敏化以及半導體複合等方法引入雜質或缺陷，從而改善TiO₂的光吸收，提高量子效率和光催化反應速度。

　　1)貴金屬沉積。貴金屬沉積對改善光催化劑反應效率是十分有效的，貴金屬的選擇也十分重要。在TiO₂錶面沉積1層Ag、Pt、Au、Pd等貴金屬，相當於在TiO₂錶面形成了1個以TiO₂及惰性金屬微電極的短路微電池，從而能有效地抑制光生電子和光生空穴的複合，提高催化劑的光催化性能。目前研究較多的是Pt的沉積。

　　2)離子摻雜。在TiO₂錶面適當地引入一些金屬離子，如Fe^{3 +} 、Mo^{5 +} 、Rn^{2 +} 、Os^{2 +} 、Re^{2 +} 、V^{5 +} 等，可以在TiO₂錶面引入缺陷或改變結晶度，從而降低空穴與電子的複合幾率，延長複合時間，提高TiO₂。光催化活性。

　　3)半導體的耦合。2種不同禁帶寬度的半導體的互補性質抑制了電子、空穴的複合，增強了電荷分離以及擴展了光能激發的範圍。近幾年來報道的SnO₂-TiO₂、WO₃-TiO₂、ZrO₂-TiO₂、V2O₅-TiO₂都表現出高於單一半導體的光催化性能。

　　4)有機染料光敏化。有機染料分子可以吸收太陽光，從而使電子從基態躍遷至激發態，只要活性物質激發態電勢低於半導體的導帶電勢，光生電子就有可能輸送到半導體的導帶上，而空穴則留在染料分子中，有效地抑制了電子與空穴的複合。這些光敏化物質在可見光下有較大的激發因數，使光催化反應延伸到可見光範圍。常用的光敏化物質有勞氏紫、酞菁、玫瑰紅、曙紅等。

　　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進展。如李愛梅等利用固相法、迴流均勻沉澱法和超聲均勻沉澱法等3種方法，製備了多種可見光響應半導體催化劑——氧化鐵，併發現其在一定條件下對造紙廢水COD有較好的去除效果。郭廣生等以CO(NH₂)₂、SnCl₄·5H₂O為原料，採用均勻沉澱法製備了納米SnO₂粒子，粒徑範圍在8～30nm ，且具有良好的分散性能。中科院福建物質結構研究所王元生課題組採用簡易的水熱法，實現了SnO₂納米棒在α-Fe₂O₃。前驅晶體錶面的晶體學定向生長，成功製備了高純度的SnO₂／α-Fe₂O₃。複合材料。另外，Bi-Ti-O系新型光催化材料也有新的發展，Bi₄Ti₃O₁₂。是典型的鐵電材料，在壓電、光存儲和電光器件上有著廣泛的應用，研究發現，在TiO_2中摻雜Bi時，鈦酸鉍具有較高的光催化性能，是一種很有前景的新型光催化材料。

　　納米二氧化鈦問世於80年代後期，根據TiO₂粉末晶體結構，將其分為金紅石型(Rutile)、銳鈦礦型(Anatase)、板鈦礦型和無定型TiO₂。TiO₂獨特的光學性能及其電性能，使其在催化劑領域、抗紫外線吸收劑、氣敏感測器件等眾多領域具有廣泛的應用前景，在光電池方面也顯示出巨大的應用潛力。其獨特的超親水性和斥水性也使其在日常生活及國防工業中有獨特的應用。

　　1.在污水處理方面的應用

　　利用TiO₂的光催化性能來處理廢水是一種行之有效的改善環境的方法。紡織印染工業和照相工業的污染物，大多數是有毒的，且難以生物降解，近年來已證明可用TiO₂光催化降解。工業有毒溶劑，化學殺蟲劑，木材防腐劑、染料等，如滷代烴、有機酸類、苯的衍生物、烴類、酚類、錶面活性劑等也可被TiO₂光催化降解。

　　2.在空氣凈化方面的應用

　　TiO₂作為空氣凈化材料可有效地降解室內外有機污染物，氧化除去大氣中氯氧化物、硫化物以及各類臭氣等，還可有效地降解室內有害氣體如裝飾材料等放出的甲醛及生活環境中產生的甲硫醇、硫化氫、氨等。

　　3.錶面防霧、防露

　　通常情況下，TiO₂TiO_2 塗膜錶面與水有較大的接觸角，但經紫外光照射後，水的接觸角減小到5°以下，甚至可達到0°。即水滴完全浸潤在TiO₂錶面，顯示非常強的超親水性。正常條件下，油性液體如乙二醇、十六烷、三油酸甘油酯等與TiO₂錶面有較大的接觸角，經紫外光照射後，這些液體也會完會浸潤在玻璃鍍膜錶面。即經紫外光照射後，TiO₂錶面具有水油兩親合性。屬“超雙親性界面材料”，採用這種材料處理玻璃、瓷磚、農用薄膜，具有自潔、防霧等效果。

　　4.TiO₂的錶面超疏水性

　　一般的斥水材料如氟樹脂錶面與水的接觸角約為110°，而加入TiO₂後其錶面與水的接觸角可達160°，顯示出超斥水特性。利用TiO₂錶面的超斥水特性，可使其錶面具有防雪、防水滴、防污等特性。結合TiO₂ 錶面超親水性和超斥性，在不同波長和時間的紫外光照射下，可實現TiO₂ 錶面超斥水性和超親水性間的相互轉化，此特性在印刷業具有廣泛的應用前景。

　　5.紫外吸收特性

　　由於納米粒子的小尺寸效應和量子尺寸效應，誘導光吸收帶藍移，可以使原來在紫外波段沒有吸收能力的常規材料通過納米化技術的改造，而產生寬頻帶強紫外吸收能力，這就為設計新型的紫外屏蔽、紫外光過濾、抗老化、防降解的材料提供了新的機遇，擴大了選擇的範圍。有實驗證明，30~40nm 的TiO₂納米微粒樹脂膜，是良好的紫外屏蔽、抗老化材料。具有紫外吸收能力的納米微粒複合到油漆、塗料、防曬霜、化妝品以及高聚物塑料中可以製備出新型的納米技術改性產品。納米TiO_2是製備上述新產品的添加劑之一。據預測，在化妝品方面，日本每年作為防曬劑用於化妝品的原料，需求納米TiO₂達1000T。用於化妝品的TiO₂粒徑以30~50nm為最佳，晶型金紅石型優於銳鈦礦型。