无机光催化剂对难降解化合物的光催化性研究 (2)
所需的一类半导体催化剂材料，能作为光催化材料的有很多如二氧化钛、氧化锌、氧化锡、
二氧化锆、二氧化铈、硫化镉等氧化物硫化物半导体。
光催化原理如图1.1 所示。当能量大于半导体禁带宽度的光照射到半导体上时,电子吸
收光的能量由价带跃迁到导带,从而在半导体内产生电子和空穴,电子和空穴由半导体内部
迁移至表面,并与存在于周围的氧和水反应产生活性氧种。这些活性氧种具有强的氧化力,
从而可用于环境净化、光催化分解水制氢等[1]与传统治理环境的方法相比,光催化材料能将有机污染物分解成二氧化碳和水，具有
成本低、高效、不产生二次污染等优点。虽然光催化研究已进行了若干年, 但仍存在着光
转换效率低、稳定性差和光谱相应范围窄等问题,因此加强光催化材料的基础研究意义十
分重大。二氧化钛因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒
材料。 1.2 二氧化钛
表1.1列出了各种半导体光催化剂的禁带宽度。由于禁带宽度不同,因而激发每一种半
导体所需的光能也不同。二氧化钛的禁带宽度为 3.2 eV,需要近紫外领域的 380 nm 以下波
长的光才能激发。由于其具有：①光催化活性高；②化学稳定性好,无毒；③在含有太阳
光或室内光中的近紫外线(UVA)的作用下即可产生功能； ④微粒简便易得,成本低廉等优势，
使得TiO2成为实用性高的光催化剂。 TiO2光催化剂的作用机理 :TiO2禁带宽度为3.2eV,在波长小于400nm的光波照射下,
价带中的电子被激发到导带形成空穴(h+)一电子(e-
)对。在电场的作用下,电子与空穴发生
分离,迁移到离子表面的不同位置。热力学理论表明,分布在表面的空穴h 十吸附在TiO2表
面的H20和OH-
氧化成·OH自由基,而TiO2表面高活性的电子e-
则可以使空气中的O2或水
体中的金属离子还原。其反应式可表示如下:
·OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大部分的有机物和部
分无机物,将其最终分解为CO2和H2O等无害物质,而且·OH自由基对反应物几乎无选择性,
因而在光催化氧化中起着决定性的作用。例如,对脂肪族有机物,·OH 自由基可将其氧化为
醇,进一步氧化为醛、酸,最后脱羧生成CO2,每降解一个碳原子,就生成一个 CO2,重复循环,
直至其完全转化为CO2为止。纳米TiO2的光催化机理见图 1.2。 1.2.1 二氧化钛
TiO2强劲的氧化能力可以分解破坏许多有机物，尤其是废水中的复杂有机物。所以
近年来，二氧化钛已被广泛的应用在了各类废水的处理中如造纸废水、制药废水、染料废
水、焦化废水和含油废水等。
目前人们对TiO2的研究主要集中在一文的二氧化钛纳米管、纳米线，二文的二氧化
钛纳米薄膜以及近年来兴起的零文二氧化钛空心球等方面。一文纳米 TiO2由于比表面积
大，长径比高，在使用中既能充分发挥 TiO2的光催化活性，又易分离。李丽媛等[3]
以钛
酸纳米管为前驱体，通过添加 NaF，高温水热合成了锐钛矿性高(001)暴露面的 TiO2纳米
薄片，并对其催化苯酚光降解行为进行了研究。结果表明:经20 min 紫外光照射后，外径
为8-12nm,管长为100nm 左右的典型TiO2纳米管和高温水热法合成的 TiO2纳米薄片，对
苯酚的去除效果分别为 48.6%和73.5%。
研究表明，纳米TiO2颗粒由于尺寸小、表面原子配位不足，导致活性位置增加，从
而具有较高的催化活性，但又存在分散不均匀、易团聚、易失活、难以回收等缺点。空心
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