二氧化钛光催化剂的改性研究
二氧化钛光催化材料研究现状与进展
二氧化钛光催化材料研究现状与进展二氧化钛光催化材料是一类应用广泛且备受关注的催化材料。
它具有优异的光催化性能，可有效利用可见光波段吸收光能，将水和空气中的有机污染物和有害物质转化为无害物质。
二氧化钛光催化材料在环境治理、清洁能源、光电器件等领域具有广阔的应用前景。
本文将介绍二氧化钛光催化材料的研究现状与进展。
二氧化钛是一种重要的半导体光催化材料。
它具有良好的化学稳定性、光稳定性和物理稳定性，且价格低廉、易于合成。
二氧化钛的光催化性能主要依赖于其晶型、表面形貌、晶粒尺寸、杂质掺杂等因素。
迄今为止，已有许多方法被提出来改善二氧化钛的光催化性能。
在二氧化钛的晶相中，主要有锐钛矿相（anatase）和金红石相（rutile）。
锐钛矿相的光催化性能优于金红石相，因此提高二氧化钛中锐钛矿相的含量，可以增强其光催化性能。
目前，常用的方法是通过控制合成条件、添加特殊添加剂或利用碳掺杂来增加锐钛矿相的含量。
除了晶型控制外，二氧化钛的表面形貌对其光催化性能也有重要影响。
研究表明，具有高比表面积和多孔结构的二氧化钛光催化材料具有更高的光催化活性。
为了增加二氧化钛的比表面积，一种常用的方法是通过溶剂热法或水热法合成纳米二氧化钛颗粒。
此外，还可以利用模板法、电化学沉积等方法来制备具有特定结构和形貌的二氧化钛纳米材料。
此外，晶粒尺寸也是影响二氧化钛光催化性能的重要因素。
通常情况下，具有较小晶粒尺寸的二氧化钛材料显示出更高的光催化活性。
制备细颗粒二氧化钛的方法包括溶胶-凝胶法、燃烧法、等离子体法等。
最后，元素掺杂是另一个重要的改善二氧化钛光催化性能的方法。
常用的掺杂元素有金属离子（如铁、铜、铬）、非金属离子（如硼、氮、碳）和稀土元素。
元素的掺杂可以改变二氧化钛的能带结构和光吸收性能，从而提高光催化活性。
总之，二氧化钛光催化材料的研究领域非常广泛，存在许多值得深入探索的问题和挑战。
虽然已经取得了一些进展，但仍然需要进一步研究和改进，以实现其在环境治理、清洁能源等领域的应用。
二氧化钛光催化材料及其改性技术研究进展
｛ 收稿 日期 ：２ ０ １ ２年 １ Ｏ月 １ ９日 项 目基金 ： 中科 院 “ 西部 之光 ”项 目 （ Ｎ ｏ ． Ｒ Ｃ Ｐ Ｙ ２ ０ １ １ ０ ３ ） ，中科 院 “ 百人计 划 一引进 国外 杰 出人 才 ”启动 项 目资助 作者 简介 ：陈琳 （ １ ９ ８ ６ 一 ） ，女，新疆 自治 区人，博士 研究 生． 通讯 联系人 ： Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｍａ ｐ ｃ ＠ｍ ｓ ． ｘ ｊ ｂ ． ｑ ， Ｃ ． ｃ ｎ
中呈溶解状态 的污染物 ，但 此类 方法处理成本 高，且不可避免地带来二次污染 ；生物法主要是通过微生 物的代谢作用使污 水中呈溶解、胶体 以及微细悬浮状态 的有机污染物转化为稳定、无害 的物质。此类方
法处理周期较长 且对 处理温 度、时间 以及水体中有机物含量等有较高的要求 。因此 ，研究开发新型的污 水深度处理方法有非常重要的意义。
解 水制 氢、 抗 菌环保等领域有着广泛的应用。然而 Ｔ ｉ Ｏ ２ 材料本身大的禁带宽度 （ ＝ ３ ． ２ ｅ Ｖ ） 阻 碍了 其 实际应用 ， 进 而导致其可见光利用率低 、 量子产率低 。因此制备具有 高量子产 率且对可
见光有 快速 响应 能力 的 Ｔ ｉ ｏ２ 已成为 当前光催化剂研究的关键课题 。国内外 关于 Ｔ ｉ Ｏ ２ 光催化 剂 的改性技 术逐渐完善并在制备方法、 材料形貌和结构控制等方面有新 的突破 。 本文综述 了Ｔ ｉ Ｏ ２
具 有整流 作 用的 区域） ，可 促进 电子及空穴的转移 、分 离及迁移 到催化剂 的表面 ； 由于两种 晶型 的紧密 接触 ，使得颗粒 内部的电子． 空穴分离效果更好。但是，随着金红石型 比例 的逐渐增加，电子． 空穴 向粒子 表面下迁移路径增长 ，分离几率减小 ，复合几率增大，导致 其光催化活性不佳 ，因此通过严格控制两种
二氧化钛光催化活性影响及其改性研究进展
金 属离子 掺杂不仅 能提高 Ｔ ｉ Ｏ ： 的光 量子效率 ， 而且 还可使 Ｔ ｉ Ｏ 的 吸收光 谱响应范围红移 ， 延伸至可见光 区域 ， 从 而有利于提高对太 阳光 的吸收效 率 。当金属离 子掺杂后 ， 便在 Ｔ ｉ Ｏ 禁 带 中引入新 的杂质能 级， 从而使其禁 带宽度相对 变窄 。这样 ， 价带 中的电子吸收 光辐射后 ， 先是跃 迁到这个新的杂质能级 ， 然后通过再一 次吸收能量 ， 并 由杂质能 级跃 迁至导带 。这样就 降低 了受激发所 需的能量 ， 使 得能量 较小的光 量 子也 能激发半 导体产 生电子 和空穴 ， 提高 光子利 用率 ， 从而 实现改 性Ｔ ｉ Ｏ ： 光催化剂的光谱响应范 围向可见光 区移 动。但是金属离子 的掺 杂会 在 Ｔ ｉ Ｏ 晶格 中引入缺陷位置或改变结 晶度等 ， 从而 Ｔ ｉ Ｏ ： 的激发波长 发生变 化 ； 而且 ， 半导体 Ｔ ｉ Ｏ 表 面光生 载流子 的复合几 率会降低 、 寿 命增长 ， 这使 Ｔ ｉ Ｏ 的光催化作用得到进一步提 高 ， 出现这种情况的原 因 可 以说成是 掺杂 的金属 离子成 为电子 和空穴 的浅势捕 陷 阱 。Ｔ ｉ Ｏ ： 中掺 杂不 同的金属离子 ， 引起 的变化是不 一样 的并不 是所有 的金属离 子掺 杂都会提 高 Ｔ ｉ Ｏ 的催 化性 能 ， 只有 掺杂特定 的金属离子 才有助于 提高 Ｔ ｉ Ｏ 的光 量子效率 。大量研究 表明 ， 金属 离子掺 杂Ｔ ｉ Ｏ 的光催化 活性受诸多 因素的影响 ， 比如掺杂金属离子 的浓度 、 价态、 半径 、 能级位 置及 ｄ电子构型等等 。 高ｐ Ｈ值 或 低 ｐ Ｈ值 条 件 。 Ｂ ｕ ｄ ｄ ｅ ｅ 等 采用浸渍 法制备 了Ｃ ｒ — Ｔ ｉ Ｏ 和Ｆ ｅ — Ｔ ｉ Ｏ ， 研 究结果 表明 ， １ ． １ ． ４外 加电子捕获剂的影响 当掺杂离子 浓度为 ０ ． ０ ５ ｍｏ １ ％一 ０ ． ２ ｏｏ ｔ １ ％时 ， 掺杂离子 的浓度对 样品的 晶 人们在评 价 Ｔ ｉ Ｏ 光催化 降解 活性时 ， 通常都是 在空气或 Ｏ ： 气氛 中 相 不产 生影 响 ， 并 且禁 带 宽度 由无 定 形 Ｔ ｉ Ｏ 的３ ． ２ ８ ｅ Ｖ减 小 为 ２ ． ５ ０ ｅ Ｖ 进 行的 。但 有文献指 出 ， 若体 系中加入不 同的 电子捕 获剂后将 会大大 （ Ｆ ｅ — Ｔ ｉ Ｏ ） 和２ ． ８ ６ ｅ Ｖ （ Ｃ ｒ — Ｔ ｉ Ｏ ） ， 光 的吸收范 围扩展到 了可见光区 。Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ 改变 Ｔ ｉ Ｏ ： 的活 性” ～。Ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ａ 等人 ” 在Ｔ ｉ Ｏ 光催化 降解苯 酚 中发现 ， 当 等 在 Ｔ ｉ Ｏ ： 中掺 杂 了稀 土金 属离子 Ｅ ｕ “ ， 与纯 Ｔ ｉ Ｏ 相 比较 ， Ｅ ｕ 掺 杂后 ｉ Ｏ 的尺寸变小 且更加均一， 平 均尺寸约 １ １ ｎ ｍ， 显然 由于 Ｅ ｕ 的掺杂使 体 系中加入 Ａ ｇ 或Ｈ Ｏ后 ， 无论是锐钛矿 还是金红石相 的光催 化活性都 Ｔ 得Ｔ ｉ Ｏ ： 粒子的生长大大受到 了限制 。进 一步研究发现 ， Ｅ ｕ “ 掺杂到 Ｔ ｉ Ｏ 有 显著提高。 一方 面可 在 Ｔ ｉ Ｏ 晶格表 面发生 氧化还原反应 ， 另一方 面还可有效 另外 ， 当体 系中同时含有 Ｆ ｅ “ ／ Ｆ ｅ 和Ｈ Ｏ 时， （ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ） 一 Ｆ ｅ ｎ ｔ ｏ ｎ 反应 （ 公 中后 ， 式） 可以发生 ， 有利于‘ Ｏ Ｈ的生成 ， 也可 以加快有机 物的降解 。 地抑制 Ｔ ｉ Ｏ 由锐钛矿 型向金红石 型的转 变 ， 从而进 一步提 高 Ｔ ｉ Ｏ 光 催 Ｆ ｅ （ Ⅱ） ＋Ｈ Ｏ — Ｆ ￣ （ １ Ｈ ） ＋ ＯＨ ＋Ｏ Ｈ— ｋ ｌ ＝５ ８ Ｍ Ｓ （ １ ） 化活性 。实验结果表 明， 当Ｅ ｕ 含量为 ｌ ａ ｔ ． ％时， 光催化 活性 最好。 Ｆ ｅ （ １ ｌ Ｉ ） ＋Ｈ： Ｏ ： — Ｆ ｅ （ Ⅱ） ＋ＯＯ Ｈ＋Ｈ ｋ ２ ＝Ｏ ． ０ ２Ｍ Ｓ （ ２ ） ２ ． １ ． ２ 非金属离子掺杂 Ｆ ￣ （ １ ｌ Ｉ ） ＋ ＯＯ Ｈ— ＋ Ｆ ｅ （ Ⅱ） ＋Ｏ ： ＋Ｈ （ ３ ） 非金属 元素掺杂 为 Ｔ ｉ Ｏ ： 改性研究 又开辟 了一条新途径 ， 非金属 掺 ２ＯＯ Ｈ — Ｏ ｚ 十 Ｈ Ｏｚ （ ４ １ 杂使利用 Ｎ 、 Ｓ 、 Ｐ 等非金属 元素取代 Ｔ ｉ Ｏ 中的部 分元素 ， 制成 Ｔ ｉ Ｏ ｘ 型光 １ ． １ ． ５ 溶 液 的温 度 催化剂 。非 金属掺杂 使得氧 的２ ｐ 轨 道和非金 属中的 Ｐ 轨 道杂化 ， 或 者 在光 催化降解污染物过程 中 ， 溶 液温度可影响很多反应过程 ， 但 这 在Ｔ ｉ Ｏ 带 隙的价带中引入一个分离能级 ， 这样 价带会 出现宽化上移 ， 禁 些并不是 决定光催化反应速率 的关键 步骤。光催化氧化还原反应 大多 带宽度相应减小 ， 使Ｔ ｉ Ｏ ： 的吸收光谱红移 ， 拓展 了Ｔ ｉ Ｏ 的光响应范围。 伴 随吸热或放热 过程 ， 溶 液温度对其也有一定影响。 ２ ０ ０ １ 年， Ａ ｓ ａ ｈ ｉ 等首次将 Ｎ 或其他非金 属元 素引入纳米 Ｔ ｉ Ｏ ： 晶格来 １ ． ２动力学 因素 对Ｔ ｉ Ｏ 进 行改性 以提 高其可见光催 化活性 。２ ０ ０ ３ 年， Ｏ ｈ ｎ ｏ 等 Ｉ 将钛 的 １ ． ２ ． １ Ｔ ｉ Ｏ 表面结 构 异丙醇盐和硫脲溶于 乙醇 中 ， 制 备得 到掺硫的 Ｔ ｉ Ｏ 光催化剂 ， 并进行光 Ｔ ｉ Ｏ ： 光催 化降解 有机 污染物 过程 中 ， 光催 化反应 主要发 生在 Ｔ ｉ Ｏ 解 甲基蓝实验考察 Ｓ — Ｔ ｉ Ｏ 的光催化 活性 。结果表 明掺硫 的Ｔ ｉ Ｏ ： 光催化 表面 。所 以， Ｔ ｉ Ｏ ： 的表面性质 ， 包括 Ｔ ｉ Ｏ ： 表面积 、 Ｔ ｉ Ｏ 表面对光子 的吸收 剂 粉末 对可见光有 吸收 ， 并认为 ｓ 产生置 换晶格金属离子 Ｔ ｊ 形成 阳离 能力 、 Ｔ ｉ Ｏ 表面对光 生电子和空穴 的捕 获 、 分离和转移 能力是影响其光 子 ｓ 掺杂。在紫外光激发下 ， ｓ 掺杂Ｙ ｉ Ｏ 的活性 略低 于 Ｐ 一 ２ ５ ； 而在可见 催化 活性的重 要因 素 。 。 比表 面积大 的 Ｔ ｉ Ｏ 样 品对光 子的 吸收效率 光 激发下 ， 只有 Ｓ － Ｔ ｉ Ｏ 具 有光催化 活性 ， Ｐ 一 ２ ５ 无活 性 。这 一报道也 对 高， 吸附Ｏ 。 等反应 物的能力 强 。Ｔ ｉ Ｏ ： 表面缺 陷的存在会 形成 限制电子 Ａ ｓ ａ ｈ ｉ 的理论计算和推论提 出了质疑 。
改性二氧化钛催化剂得研究进展
改性二氧化钛光催化剂得研究进展摘要：采用掺杂非金属或非金属可增强TiO2光催化材料可见光响应能力。
金属掺杂往往牺牲其紫外光区催化能力，而采用非金属掺杂不仅能够增强其可见光响应能力，且保持紫外区光催化活性。
本文简单叙述了添加非金属和过渡金属改性二氧化钛光催化剂的原理方法及其进展。
掺杂非金属改性二氧化钛光催化剂包括了掺杂氮，掺杂碳。
掺杂过渡金属改性二氧化钛光催化剂包括掺杂铁，掺杂银，掺杂锆。
关键词：改性；二氧化钛；非金属；过渡金属；光催化剂1 引言自从发现TiO2光催化特性以来，以TiO2为代表的光催化环保材料得到广泛的研究⑴。
TiO2是目前应用最广泛的光催化剂，具有活性高、稳定性好和无毒、价廉等优点。
已成为目前最引人注目的环境净化材料，广泛应用于环境保护的各个领域。
TiO2以其无毒、氧化能力强和稳定性好而在污水处理、空气净化、杀菌消毒及制备具自洁抗菌等功能的新型材料方面有着广阔的应用前景.TiO2相对其他半导体光催化剂而言，活性相对较高，但由于TiO2半导体的能带较宽（Eg= 3.2 eV），其对太阳光的利用率较低（4%）.只有在紫外光的激发下才能表现光催化活性，因此对二氧化钛进行改性，使其在可见光甚至是室内光源的激发下产生活性是目前众多研究者的研究热点。
2 掺杂元素改性二氧化钛的基本原理TiO2具有较宽的能带间隙，只有在紫外光下才具有光催化活性，为使其具有可见光催化活性，必须直接或间接改变其能带结构，缩小其能带间隙。
采用元素掺杂提高TiO2的可见光催化活性都是基于提高其光生电子－空穴的分离效率，抑制电子－空穴的重新结合来提高其量子效率⑵。
有些科学家认为适当的元素掺杂能够在价带和导带之间形成一个缺陷能量状态，而这种缺陷能量状态可能靠近价带，也可能靠近导带。
这种缺陷能带为光生电子提供了一个跳板，从而可以利用能量较低的可见光激发价带电子而传输到导带，使吸收边向可见光移动。
3 掺杂非金属改性二氧化钛催化剂掺杂非金属改性二氧化钛光催化性的研究很多。
二氧化钛光催化特性的改性
将光催化剂的粒子纳M化，从理论上将产生如下的四个效应，可以有效提高量子产率，利于光催化反应[12]。
a.能级移动由量子效应引起的导带电子和价带空穴的能级移动，使光催化剂的还原性和氧化性增大，使得不被普通微M级粒子还原的分子可被超微粒子还原。
这个效应可认为与电极反应中电压增大的效果类似。
这是因为超微粒子的电子俘获能级在导带附近上升，并且这种能级的的移动伴随着吸收光谱向短波方向移动。
因而如果想用太阳光中的可见光为光源，必须使用能隙比较窄的半导体材料。
b5E2RGbCAPb.光激发位置趋于表面半导体的粒径变小，光激发产生的电子-空穴对能很快到达催化剂表面。
由于反应是在表面进行的，可以使更多的光生电子和空穴被氧化剂或还原剂吸收，有效减少电子和空穴的复合，因而氧化或还原的速率就会增加。
p1EanqFDPwc.电荷分离的空间变小半导体光催化剂内部会产生空间电荷层，这种电势梯度避免了光激发的电子-空穴对的复合。
然而，电子-空穴对在狭小的空间产生，复合的几率也会增加。
由于表面的氧化-还原反应与复合反应竞争，粒径的减小也可能引起反应速率的降低。
DXDiTa9E3dd.表面积增大对于所有的催化剂，超微粒子化将使表面积增大，从而使催化剂活性增大。
对于粒径在12～150nm的TiO2光催化剂，从水或乙醇中产生的氢活性与粒径成反比关系[13]，其原因不仅在于催化剂表面积的增大，而且与能量状态有关。
RTCrpUDGiT1.5.2可见光敏化可见光敏化是指光催化剂表面经物理或化学吸附一些有机物，经一定波长的光激发后产生光生电子，然后注入到半导体光催化剂的导带上，从而在TiO2中产生载流子的过程。
由于TiO2的带隙较宽，只能吸收紫外光区光子。
而敏化作用可以提高光激发过程的效率，通过激发光敏剂把电子注入到半导体的价带上，从而扩展了光催化剂激发波长的响应范围，使之有利于降解有机化合物。
敏化剂对半导体的激发、电荷转移和敏化剂再生进行过程如图1-4所示[14]。
TiO2催化剂
纳米TiO2催化剂的制备改性、表征及在光催化氧化过程中的性能研究自从上世纪七十年代以来，二氧化钛在环境治理方面的研究被迅速开展起来。
二氧化钛最大的优点是无毒、抗腐蚀，由于具有稳定的物理和化学性质被广泛地用作催化剂和载体。
其中研究最多的是二氧化钛在光催化氧化过程中的应用。
当物质所具有的尺寸属于纳米级别（<100nm），其特殊的表面效应和体积效应决定了其具有特殊的化学性质。
由于纳米颗粒表面原子数与其总原子数之比随粒径变小而急剧增大，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子大相径庭，从而使其具有很大的化学活性。
另外，纳米颗粒因其表面原子周围缺少相邻原子会存在许多悬空键，具有不饱和性质，这些因素将导致纳米颗粒的特殊吸附现象，反应活性和催化性质。
纳米二氧化钛催化剂由于其特殊的表面状态和表面能，具有很高的活性和吸附能力是一种性能优良的催化剂。
纳米材料的制备可分为物理方法和化学方法两大类。
物理方法包括机械研磨法、沉积法和熔融法等，其中最常见的为机械粉碎法。
物理方法通常能耗大、成本高、尺寸可控性差，可取之处在于所得材料的微晶结构较为完善、表面缺陷相对较小。
化学方法在微粒粒度、粒度分布、微粒表面控制方面有一定优越性，主要包括：化学气相沉积法、液相法、溶胶—凝胶法、固相反应法、辐射合成法。
1.纳米二氧化钛的制备纳米二氧化钛的合成方法很多中溶胶—凝胶法以其工艺简单、反应温度低、能耗小、且引入杂质的可能性小、制得的产品粒度小、纯度高、分散性好等优点，成为合成超细二氧化钛的主要方法。
溶胶—凝胶技术是指金属的有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成为氧化物或其他固体化合物的方法，所需要的烧结温度比传统的固相反应法低200~500℃。
采用溶胶—凝胶法制备纳米二氧化钛，选择钛酸丁酯作为前驱物，令其均匀混合于无水乙醇中并发生水解与缩聚反应，形成稳定的溶胶体系，溶胶再经过陈化转变为凝胶，最后对凝胶进行热处理得到超细的二氧化钛颗粒。
二氧化钛作为光催化剂的研究
二氧化钛光催化剂的研究进展1972 年，A.Fujishima 等首次发现在光电池中受辐射的TiO2，表面能持续发生水的氧化还原反应，这一发现揭开了光催化材料研究和应用的序幕。
1976 年J.H.Carey 等报道了TiO2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯。
S.N.Frank 等也于1977 年用TiO2粉末光催化降解了含CN-的溶液。
由此，开始了TiO2光催化技术在环保领域的应用研究，继而引起了污水治理方面的技术革命。
近十几年来，随着社会的发展和人们对环境保护的觉醒，纳米级半导体光催化材料的研究引起了国内外物理、化学、材料和环境等领域科学家的广泛关注，成为最活跃的研究领域之一。
TiO2 是一种重要的无机材料，其具有较高的折光系数和稳定的物理化学性能。
以TiO2 做光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术越来越受到人们的关注，被广泛地用来光解水、杀菌和制备太阳能敏化电池等。
特别是在环境保护方面，TiO2 作为光催化剂更是展现了广阔的应用前景。
但TiO2 的禁带宽度是3.2eV，需要能量大于3.2eV 的紫外光（波长小于380nm）才能使其激发产生光生电子-空穴对，因此对可见光的响应低，导致太阳能利用率低（只利用约3~5%的紫外光部分）。
同时光生电子和光生空穴的快速复合大大降低了TiO2 光催化的量子效率，直接影响到TiO2 光催化剂的催化活性。
因此，提高光催化剂的量子效率和光催化活性成为光催化研究的核心内容。
通过科学工作者对二氧化钛的物质结构、制备方法、催化性能、催化机理等方面的深入系统的研究，这种快速高效、性能稳定、无毒无害的新型光催化材料在废水处理、有害气体净化、卫生保健、建筑物材料、纺织品、涂料、军事、太阳能贮存与转换以及光化学合成等领域得到了广泛应用。
1 TiO2光催化作用机理“光催化”从字面意思看，似乎是指反应中光作为催化剂参加反应，然而事实并非如此。
光子本身是一种反应物质，在反应过程中被消耗掉了，真正扮演催化剂角色的却是TiO2。
纳米二氧化钛的制备与光催化性能研究毕业论文
毕业设计（论文）纳米二氧化钛的制备与光催化性能研究1 绪论二氧化钛，化学式为TiO2，俗称钛白粉，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。
二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。
二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑[1]；它又具有锌白一样的持久性。
二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。
在过去的研究中，用半导体粉末对水、油和空气中的有毒有机化合物进行光催化降解和完全矿化引起了人们的大量关注。
由于抗光腐蚀性，化学稳定性，成本低，无毒和强氧化性，二氧化钛被作为应用最广泛的光催化剂来光降解水和空气中的有毒化合物。
但是二氧化钛具有较大的带隙（锐钛矿相二氧化钛为3.20ev）因此，只有较小一段太阳光区域，大约为2%~3%紫外光区可被应用[2]。
人们尝试用各种制备方法，如贵金属掺杂、氧化物复合、表面修饰等等方法，防止和减少电子与空穴的复合，提高催化剂的光催化活性。
众所周知，吸附和催化的效率与固体的孔径及表面积有关，因此，对二氧化钛进行修饰、改性及增大比表面积是提高光量子效率和增大反应速率的一个有效的方法与途径。
1.1 TiO2的结构与基本性质1.1.1物理常数及结构特征表1 TiO的物理常数1.1.2 TiO2的结构特征在自然界中，TiO2存在三种晶型结构，即金红石、锐钛矿和板钛矿。
这些结构的区别取决于TiO68-八面体的连接方式，图1-1是TiO68-八面体的两种连接方式，锐钛矿结构是由TiO68-八面体共边组成，而金红石和板钛矿结构则是由TiO68-八面体共顶点且共边组成。
锐钛矿TiO2中的每个八面体与周围8个八面体相连，金红石TiO2中每个八面体与周围10个八面体相连。
事实上锐钛矿可以看做是一种四面体结构，而金红石和板钛矿则是晶格稍有畸变的八面体结构[3]。
简单地认为锐钛矿比金红石活性高是不严谨的，它们的活性受其晶化过程的一些因素影响。
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总结与展望
• 二氧化钛光催化剂在环境和能源领域中有着广阔的应用前景，各国 科研人员对掺杂改性技术进行了广泛和深入的研究，但是其机理仍 未完全清楚，因此仍然是下一阶段的主要任务。
• 二氧化钛是一种稳定的化合物，掺杂后改变了晶体结构，其稳定性 也受到了很大影响，因此在掺杂过程中如何保持其稳定性也是焦点 之一。
钛
扩大其作用光的波长
的
电子-空穴复合
范围
改
性
背景与意义
加入氧
化剂 二氧化钛 改性
表面 修饰
光贵 金 非 半 表
敏金 属 金 导 面
化属 离 属 体 螯
沉 子掺 复 合
淀 掺杂 合 作
杂
用
光电 催化
光敏化
光活性化合物
贵金属表面沉积
贵重金属（银、铂等） “肖特基势垒”
半导体复合
背景与意义
光电催化是在半导体系统内通过光化学加压可 使电荷分离，减少空穴-电子对复合的方法。
二氧化钛光催化剂的改性研究
目录
二 氧 化 钛 光 催 化 剂
基本概念与原理 研究背景与意义 改性研究 总结及展望
基本概念与原理
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子（电子、空穴）
基本概念与原理
电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电 子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应 于导带中占据的电子
结论： 最佳掺杂浓度为0.25﹪
Ni 2+掺杂浓度对催化活性的影响
结论： 最佳掺杂浓度为0.05﹪
Sr2+掺杂浓度对催化活性的影响
1.0 0.1 0.01 0.005
结论： 最佳掺杂浓度为0.1﹪
Seminar 1
小结
• 不同金属离子掺杂对催化活性的影响差别较 大，研究表明铅效果最好。 • 每种金属离子掺杂都有一个最佳浓度，当掺 杂浓度小于或大于最佳掺杂浓度时，所得的 TiO2光催化剂的光催化活性都会降低。实验 测定：Fe3+,Zn2+,Ni2+,Sr2+，最佳掺杂浓度分 别为0.01﹪，0.25﹪，0.05﹪，0.1﹪。 • 由于金属离子掺杂热稳定性差，近年来许多 人转向非金属掺杂，如F, S, N, C.
外光线激发 （ ＜ 387nm）,而太阳光谱中紫外光
（400nm以下）仅占5﹪，波长为400-750nm的可见光则 占到45﹪，因此太阳能利用率很低。 2、光激发产生的电
子、空穴容易复合，降低了光催化效率。
提高TiO2的光催化效率成为研究 热点
背景与意义
两方面着手
二
氧
降低TiO2的禁带宽度
化
加入俘获剂阻止
空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱 离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价 带中的电子空位
基本概念与原理
半导体的能带结构
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
加入氧化剂：向 TiO2光催化体系中加入 O2， O3，H2O2， Fe3+ 等氧化剂，催化剂表面的电 子被氧化剂俘获，有效的抑制电子和空穴的复 合，同时进·OH的生成。
掺杂改性研究
效果好
易于扩展光的 响应范围
掺改 杂性
方法简单
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
易于提高光催化反应速率
掺杂改性研究
掺 一、成为电子和空穴的浅势捕获阱
基本概念与原理
• 量子尺寸效应：由于半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中, 在此条件下,导带和价带能带过渡为分立的能级,因而有效带隙增大,吸
收光谱阈值向短波方向移动,这种效应就称为量子尺寸效应。
基本原理与概念
光
TiO2光催化作用的基本原理
背景与意义
• 20世纪70年代光催化氧化技术诞生。
• 1972年Fujishima与Honda报导了在光电池中光辐射单晶Ti02可 以发生水的氧化还原反应并产生氢气。由此掀开了TiO2光催 化过程的历史篇章。
杂
改 性
二、降低TiO2的带隙
作 三、形成掺杂能级
用
机 四、共掺杂离子间形成协同作用 理
不同金属掺杂改性研究
结论：不同金属离子对光催 化性影响有很大差异。其中 铅效果最好，其次分别为锌、
镍、锶、铁
Fe3+掺杂浓度对催化活性的影响
结论： 掺杂浓度越低光催化性越好
最佳浓度为0.01﹪
Zn2+掺杂浓度对催化活性的影响
背景与意义
1、含染料、农药等有机污染物 的废水及含石油污染物的水体
3、卤代烃、醛类、多环芳烃
2、大气中的NOx, 汽车尾气中的含硫气体
背景与意义
光学和电子 特性 好
化学性质稳 定
二氧化钛光 催化剂
氧化还原性 强
成本低
无毒
难溶
二氧化钛的优良特性
背景与意义
1、TiO2光催化剂带隙较宽（3.2ev）,只能被波长较短的紫
• 近年来，随着光化学及技术的发展和进步，光催化材料的研 究进入了一个新时代，光催化材料层出不穷，利用Ti02多相 光催化消除环境中的各种污染物的研究已引起人们的广泛关 注。
• TiO2有许多优良特性，可广泛应用于催化剂、传感器、感光 材料、油漆涂料、化妆品、电子产品等生产领域，是一种理 想的半导体材料，也是理想的光催化剂 。