金基光催化剂的制备表征及其环己烷氧化性能研究(2)
最近几年，国内外对TiO2的研究有了一些成果，可以看出光催化氧化法能够很好的将水中的烃类、羧酸、含氮有机物等有机废水去除[1-3]，通常经过持续反应可以达到完全矿化。二氧化钛的光催化氧化能力很强，氧化性甚至强于臭氧，能将很多臭氧都不能将其分解的有机物进行有效的光催化降解，因此光催化氧化在降解难分解的有机物方面有很广的应用。
最近几年纳米二氧化钛成为了非常热门的新型功能材料。由于其无毒的性质对人体无害，所以也用作杀菌、杀毒、除臭的材料，长久以来收到了各个领域的研究人员的青睐。纳米二氧化钛材料包括二氧化钛纳米管、二氧化钛纳米薄膜、二氧化钛纳米粉体等形式。其中二氧化钛纳米管与二氧化钛纳米粉体和二氧化钛纳米薄膜相比，二氧化钛纳米管更高效的吸附能力和表面活化能是它突出的特点，尤其用复合纳米材料会良好地增强其光催化能力，如果把更小的无机、有机纳米粒子放进二氧化钛纳米管中就能将二氧化钛纳米管的光催化能力提高，另外对光电转换效率还有帮助，拥有很大的潜能应用在太阳能电池、光催化[4]等方面。这些都是研究者的兴趣所在也让二氧化钛纳米管的研究成为了热门课题之一。
1.2 TiO2光催化剂概况
金红石、板钛矿和锐钛矿（如图1-1所示）是二氧化钛的三种结构形式[5]。TiO6八面体是组成三种晶体结构基本单位是它们的共同点，不同点在于锐钛矿相二氧化钛是由TiO6共边组成骨架，而金红石和板钛矿是TiO6共边且共顶点组成的骨架。金红石的结果稳定，光催化效果较差，板钛矿不稳定，锐钛矿的结构有缺陷并且相对稳定为光催化提供了条件。
图1-1 二氧化钛的三种晶体结构
1.2.1 TiO2能带相关知识
从微观结构上可以分析出TiO2具有能带结构，这种结构是由的低能价带和高能导带组成，低能价带充满电子高能导带是空的。价带和导带中间还有一种叫做禁带的结构，电子的填充顺序是从能量低到能量高的价带。通过禁带模型的计算可以推导出TiO2晶体的禁带宽度为3.0eV(金红石相)和3.2eV(锐钛矿相)。光吸收阈值λg禁带宽度Eg下式的关系：
λg (nm)=1240／Eg(eV) (1-1)
一般的吸收波长阈值大多数在紫外光区，它们多数不吸收可见光，因此它们大多数是透明的，应用较多的锐钛矿TiO2在pH为1时的禁带宽度为3.2eV，光催化所需入射光最大波长为387nm。再综合(1-1)式可以得出结论，刚吸收阈值越小，其禁带宽度越大，所以相对产生的光生电子和空穴的氧化-还原电极电势越高。
TiO2的光催化的能力受到能带位置和被吸附物质的还原电势所影响，按照热力学的要求光催化氧化反应如果要进行那么受体电势就必定比TiO2导带电势低，给体电势必定比TiO2价带电势高才能发生反应。
1.2.2 TiO2光催化原理
图1.2为TiO2锐钛矿相的电子-空穴对与氧化-还原对的点击电视的比较。从图1.2可以看出纳米TiO2锐钛矿相的电子-空穴对电势要大于3.0eV，这比臭氧、MnO4甚至氟的电极电位都高，说明其氧化能力之强，研究发现，纳米TiO2能氧化多种有机物，并且氧化进行的相对彻底能将有机物转化为二氧化碳和水等无机分子。同时，它还能光催化水、一氧化氮等无机分子得到氢气、氧气、氮气等单质[6]
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