光催化复合纤维膜的制备及催化性能(3)
3.4.2.2 红外光谱分析 25
3.4.2.3 XRD谱图分析 26
3.4.3 表面润湿性能 27
3.4.4 光催化试验结果 28
3.5 本章小结 30
致谢 32
参考文献 34
1 绪论
1.1 TiO2纳米材料
1.1.1 TiO2纳米材料的基本简介
近年来，全球经济飞速发展带来的环境与能源问题日益突出，光催化剂可以利用自然界中的光能催化降解污染物进而转化成化学能，因而被广泛研究。TiO2作为一种高效的光催化剂，本身还具有很多优点，如化学性质稳定，无毒和强还原性、光耐蚀性等[1]。
半导体材料TiO2的本身结构决定了它的光催化性能，TiO2的禁带处于充满电子的低能价带和空的高能带导带之间，禁带宽度为Eg。TiO2光催化反应过程如图1.1所示，当照到TiO2的光子能量不小于禁带宽度时，即hv≥Eg，这样价带电子受到激发跃迁到导带，形成电子-空穴对（图1.1中反应i）。光激发生成的电子-空穴对一部分扩散到TiO2表面发生光催化反应（图1.1中反应ii a），另一部分电子-空穴对发生复合，释放出热能或其他形式的能量（图1.1中反应ii b）。电子-空穴对具有很高的反应活性，这是光催化过程的决定因素，首先价带上的留下的空穴具备良好的氧化能力，能够从H2O和OH-基团上捕获电子，产生强氧化性的羟基自由基。OH，可直接使有机污染物降解为H2O、CO2等小分子[2]；导带跃迁而来的电子有很强的还原性，也可以将表面吸附的氧化物质还原，综合起来TiO2便具备了光催化性能。
图1.1 TiO2光催化过程示意图[2]
TiO2存在三种晶型结构，分别为锐钛矿型、金红石型和板钛矿型，其中板钛矿型不稳定，目前还不存在工业化的应用意义，而锐钛矿型和金红石型性质相对稳定，具有广泛的应用。TiO2的晶型转变通过控制焙烧温度来实现，610-910℃通常是TiO2由锐钛矿型转变金红石型的温度区间，温度达到1000℃以上才能转变成板钛矿型，转变不可逆，TiO2的不同晶型在具有不同物理化学性质，例如介电常数、硬度、对紫外线吸收能力等方面，其中锐钛矿型具有较高的光催化活性[3]。
1.1.2 影响TiO2光催化性能的因素
由以上的光催化反应机理可以看出，影响TiO2光催化活性的因素主要有三个：首先，光是光催化的主要参与者之一，TiO2在光的照射激发下产生电子-空穴对，因此对光的吸收和响应程度是影响TiO2光催化性能的关键，TiO2的带隙是3.2eV，它只对紫外光有响应，因此其光催化效率较低。其次，由光激发的电子-空穴对具有较强的氧化还原性，是影响TiO2光催化性能的另一个重要因素，但是在实际光催化的过程中，光生电子-空穴对很容易发生复合，所以降低光生电子-空穴对复合率是一个提高光催化性能的有效途径。再次，TiO2纳米光催化剂容易发生团聚，难以从反应液中分离出来，重复使用性能差。同时TiO2对有机物的吸附能力也一定程度上影响了光催化效率[4]。
1.1.3 TiO2光催化性能改性
1.1.3.1 元素掺杂
TiO2作为光催化剂的禁带宽度为3.2eV，只能响应紫外光，而紫外光仅占自然光的3-5%，这样TiO2光催化剂对太阳光的利用率很低，而且光激发产生的电子-空穴对又很容以发生复合，为了改善上诉问题，常用元素掺杂的方法进行TiO2改性。元素掺杂一方面可以降低禁带宽度，再者也可以增强对电子的捕获能力，防止电子-空穴的复合。元素掺杂可以有金属掺杂、非金属掺杂和贵金属沉积等方法。 Zhang等[5]以PVP、HAuCl4、H2PtCl6、Ti(OC4H9)4为原料进行共混电纺，制备出掺杂了Au、Pt的TiO2纳米纤文，发现Au、Pt掺杂可以使TiO2纳米纤文的光催化分解水制氢性能显著提高。很多研究人员也发现通过掺杂可以大大提高光催化性能，如TiO2／Bi2S3 、N／TiO2 、MO2C／TiO2和TiO2／SiO2等[6]。
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