11、纳米TiO2的光催化原理及其应用
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究

纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究随着经济的发展,人们生活水平的提高,人们逐渐意识到可持续发展的重要。
环境问题已严重影响现代文明的发展,有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康,开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。
纳米TiO2作为一种光催化材料,具有优异的物理和化学性质,因而被广泛应用和重点研究。
本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。
标签:纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能引言半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。
以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。
科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能,使其能在生产实践中广泛应用。
1、TiO2材料简介TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型,其中金红石是TiO2的高温相,锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。
在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。
锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV 与之对应的激发波长为387nm。
所以,TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性,在可见光下一般没有活性。
只有对它的结构进行改性,使它的禁带宽度得以缩小,才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。
改性的方式目前主要有以下几种方法:通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法,通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法,提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法,增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。
光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。
粒径的减小能够使表面原子增加,使光催化剂吸收光的效率显著提高,使其表面e一和h十的浓度增大,从而提高光催化剂的催化活性。
纳米TiO2光催化降解水体中有机污染物

纳米TiO2光催化降解水体中有机污染物纳米TiO2光催化技术为一种有效的水体净化方法,可用于降解水体中的有机污染物。
本文将详细介绍纳米TiO2光催化降解有机污染物的原理、应用和未来发展趋势。
1. 简介水体污染是当前环境问题的重要方面之一,有机污染物的存在严重威胁水生态系统的健康和人类的生存。
因此,研究和开发高效的水体净化技术变得尤为重要。
纳米TiO2光催化技术凭借其高效、无毒、无副产物、易操作等优势,被广泛应用于水体净化领域。
2. 纳米TiO2光催化的原理纳米TiO2光催化技术是通过TiO2纳米颗粒的吸光吸收能量,形成带隙激发,产生电子和空穴对,进而参与化学反应。
在光照的作用下,纳米TiO2表面形成活性氧种,如羟基自由基和超氧阴离子自由基等,这些活性氧种具有较强的氧化能力,可将有机污染物分解为无害的物质。
3. 纳米TiO2光催化应用案例纳米TiO2光催化技术在水体净化领域有着广泛的应用。
以染料为例,纳米TiO2光催化技术可将有机染料降解为无色的无害物质。
此外,纳米TiO2光催化技术还可用于降解苯酚、有机酸类、农药等有机污染物。
这些应用案例充分展示了纳米TiO2光催化技术在水体净化中的潜力和优势。
4. 纳米TiO2光催化的改进方向虽然纳米TiO2光催化技术具有广泛的应用前景,但仍然存在一些问题需要解决。
首先,纳米TiO2材料的光催化效率仍有提升空间,需要进一步改进催化剂的结构和合成方法。
其次,纳米TiO2光催化技术受光照强度、温度等外部条件的影响较大,需要优化反应条件以提高降解效率。
此外,考虑到纳米TiO2颗粒对环境的潜在风险,还需要研究纳米TiO2的生物降解性以及对水生态系统的影响等问题。
5. 结论纳米TiO2光催化技术作为一种高效、环保的水体净化方法,具有重要的应用前景。
通过对纳米TiO2的研究和改进,可以进一步提高光催化降解有机污染物的效果,为水体净化事业做出更大的贡献。
未来,纳米TiO2光催化技术有望成为一种重要的工程应用,为改善水环境质量和保护生态环境做出积极的贡献。
纳米TiO2光催化剂的制备及应用研究进展

性 的电子 e 具有 很 强 的 还原 能 力 , 以还 原 去 除 水 一 可
体 中的金属 离子 。 国内外对 TO 光催 化 机理 做 了很 i2
多 的研 究 工 作 [ 。D rnS M gl等[ 研究 了 TO 8 、 a i , ugi 8 r J i, 光 催 化氧化 乙醇 的机理 。研 究 结果 表 明 在 TO 表 面 i2 上 的一 部 分 乙 醇 发 生 反 应 的 途 径 是 乙 醛 一 乙 酸
水 处 理 、 气 净 化 和 抗 菌 等 方 面 的 应 用 空
关 键 词 纳 米 T( 光 催 化 剂 i2 )
制备
应 用
De e o m e t o he Pr p r to n p i a i n o v lp n ft e a a i n a d Ap l to f c
Absr c Na o sz d Ti 2i n fte mo tp miig p oo aay t tp e e t Th c a im d te s nh sso ta t n ie 0 so eo s r sn h tc tlssa rs n . eme h ns a h y te i f h o n t ep oo aay ss a d i p l ain i trte t n , i u fc to n n i b ce a we e rve d. h h tc tltt , n t a p i t n wae rame t arp ri ain a d a t — a tr r e iwe s c o i i Ke ywo d n n ie i p oo aay t p e aain a piain rs a o sz d T O2 h tc tlss r p rt p l to o c
二氧化钛纳米管在光催化的介绍和特点中的应用

二氧化钛纳米管在光催化的介绍和特点中的应用二氧化钛纳米管在光催化的应用,哎呀,这可真是一个有趣的主题!二氧化钛,咱们就叫它TiO2吧,大家都比较熟悉。
这东西在我们生活中其实很常见,比如说白色颜料、太阳能电池等。
而这些纳米管,可谓是小小的奇迹,表面上看起来不起眼,实际上却有着不一般的能力。
想象一下,微小的TiO2纳米管在阳光照射下,活像一位超级英雄,瞬间变得强大无比,开始处理那些污染物,真是让人感到惊叹。
光催化,听起来好像高大上,其实就是利用光的能量来推动化学反应。
TiO2在这个过程中可是个主力军,阳光一来,它就开始发挥自己的光辉作用。
这个过程就像是一场精彩的表演,TiO2把太阳光变成了能量,随后开始分解空气中的有害物质,嘿,真是环保小能手!想象一下,如果我们的城市都用上这种材料,空气质量可得多好多啊,简直就是让人忍不住想要为它打call!TiO2纳米管的特点也很吸引人,首先是它的表面积大,能和更多的污染物接触。
就像一个大网,能捕捉到那些小小的坏分子。
这玩意儿不仅稳定,耐高温,甚至可以在酸碱环境中保持自己的“酷”。
不管是雨打风吹,它都能安然无恙,继续工作,这点真是让人佩服得五体投地。
更有趣的是,TiO2的光催化过程是自发的,换句话说,太阳一照,它就自动工作,不需要我们再去添油加醋。
这种省心省力的特性,真是让人觉得,哎,这科技真是给力。
想想我们在家里用的那些清洁剂、消毒剂,很多时候都是化学反应的结果。
而TiO2的光催化,简直就像是给环境“洗澡”,不仅干净,还不怕伤害生态,真的是环保的小帮手。
TiO2纳米管的应用可不止于此。
在水处理方面,它也大显身手。
比如说,利用它来处理污水,污染物一碰到TiO2,咻的一声,就被分解得干干净净。
水清了,鱼也快乐了,整个生态系统都得到了保护。
想象一下,能喝到这么干净的水,生活的质量一下子就上去了,真是美滋滋。
说到这里,大家可能会问,TiO2有没有什么缺点呢?当然也有,毕竟没有完美的东西。
纳米tio2的光催化原理及其应用

纳米tio2的光催化原理及其应用下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成,希望大家下载以后,能够帮助大家解决实际的问题。
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TiO2纳米材料的制备及其光催化性能

TiO2溶胶的制备及其光催化性能一、实验目的1•掌握水解法制备TiO2溶胶的基本原理;2.掌握多相光催化反应的催化剂活性评价方法;3•掌握紫外分光光度计的测试原理。
二、TiO2光催化简介1•光催化反应原理自从1972年日本学者Fujishima和Honda在n型半导体TiO2单晶电极上实现了水的光电催化分解制氢气以来,多相光催化技术开始引起世界各行各业科技研究者的极大关注。
半导体多相光催化技术作为一种环境友好型的新型催化技术,在环境治理、新能源开发以及有机合成等领域都有着广泛的应用。
TiO2是n型半导体,根据固体能带理论,TiO2半导体的能带结构是由一个充满电子的低能价带(valenceband,V.B.)和空的高能导带(conductionband,C.B.)构成。
价带和导带之间的不连续区域称为禁带(禁带宽度Eg)。
TiO2(锐钛矿)的Eg=3.2eV,相当于387nm光子的能量。
当TiO2受到波长小于387nm的紫外光照射时,处于价带的电子就可以从价带激发到导带(e-),同时在价带产生带正电荷的空穴(h+),从而形成电子-空穴对。
当光生电子和空穴分别扩散到催化剂表面时,和吸附物质作用后会发生氧化还原反应。
其中空穴是良好的氧化剂,电子是良好的还原剂。
大多数光催化氧化反应是直接或间接利用空穴的氧化能力。
空穴一般与TiO2表面吸附的H2O或OH-离子反应形成具有强氧化性的氢氧自由基OH・,它能够无选择性氧化多种有机物并使之彻底矿化,最终降解为CO2、H2O等无害物质。
而光生电子具有强的还原性可以还原去除水体中的金属离子。
光催化过程的基本反应式如下:TiO2+hv(>TiO2的禁带宽度3.2eV)—h++e-h ++e -—>hv (或热量)H 2OH ++OH -OH -+h +f•OHH 2O+h +f•OH +H+空气中游离氧的作用就犹如电子的受体,可形成超氧负离子・02-,超氧负 离子与羟基自由基一样也是强氧化还原活性的离子,它们可以氧化和降解半导 体表面上甚至其附近的许多细菌和其他有机物。
纳米TiO2的实验报告

纳米TiO2的制备及其催化性能的测定实验报告院系:化学化工学院一、实验目的1.了解纳米TiO2的基本性质;2.充分了解纳米TiO2的制备方法;3.学会用溶胶凝胶法制备纳米TiO2;4.知道纳米TiO2的实际应用;5.在实验中充分了解其应用价值;6.了解纳米TiO2光催化的机理,以及其光催化在实际中的应用。
二、实验原理(1)纳米TiO2的制备原理胶体(colloid)是一种分散相粒径很小的分散体系,分散相粒子的重力可以忽略,粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
溶胶(Sol)是具有液体特征的胶体体系,分散的粒子是固体或者大分子,分散的粒子大小在1~1000nm之间。
凝胶(Gel)是具有固体特征的胶体体系,被分散的物质形成连续的网状骨架,骨架空隙中充有液体或气体,凝胶中分散相的含量很低,一般在1%~3%之间。
钛酸四丁脂在酸性条件下,水解产物为含钛离子溶胶Ti(O-C4H9)4+4H2O→Ti(OH)4+4C4H9OH含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团,最后形成稳定凝胶Ti(OH)4+ Ti(O-C4H9)4→2TiO2+4C4H9OHTi(OH)4+ Ti(OH)4→TiO2+4H2O(2)纳米TiO2的光催化原理①当能量大于3.0——3.2eV禁带宽度的光照射TiO2时,光激发电子跃迁到导带,形成导带电子,同时在价带留下空穴。
由于半导体能带的不连续性,电子和空穴的寿命较长,它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动,与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应,或者被表面晶格缺陷俘获。
空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。
Ishibashi和Fujishima(2000)等通过测定反应过程中HO·和空穴的量子产率来推测它们在反应中所起的作用,结果发现空穴是光催化反应的主要物质。
②对于染料类化合物,还存在由可见光激发而降解的途径:在可见光的照射下,染料化合物吸收光子形成激发单重态(1dye*)或激发三重态(3dye*),激发态的染料分子能够向TiO2导带注入一个电子而自身生成正碳自由基。
TiO2光催化反应及其在废水处理中的应用

TiO2光催化反应及其在废水处理中的应用TiO2光催化反应及其在废水处理中的应用摘要:近年来,随着环境问题的日益突出,废水处理成为了重要的课题之一。
光催化技术由于其高效、环保的特点,被广泛应用于废水处理领域。
其中,钛白粉(TiO2)光催化反应被认为是一种非常有效的方法。
本文从TiO2光催化反应的基本原理、反应机制和影响因素等方面进行了探讨,并详细介绍了其在废水处理中的应用。
一、引言随着工业化进程的不断加快,废水排放问题日益严重。
废水中含有大量的有机物、重金属离子等污染物,不仅对水体生态环境造成了严重的破坏,也对人类的健康产生了潜在的危害。
因此,如何有效地处理废水成为了亟待解决的问题。
光催化技术由于其高效、环保的优势,被广泛应用于废水处理领域。
其中,TiO2光催化反应因其低成本、易得性和良好的稳定性等特点,成为了研究的热点之一。
二、TiO2光催化反应的基本原理TiO2光催化反应是指在紫外光照射下,通过激发TiO2表面的电子,产生一系列氧化还原反应,最终实现有机污染物的降解。
TiO2光催化反应的基本原理可以归结为:1) 紫外光照射下,TiO2表面的电子被激发至导带,形成自由电子和空穴;2) 自由电子和空穴在TiO2表面进行氧化还原反应,产生一系列高活性氧化物种,如羟基自由基、超氧自由基等;3) 这些高活性氧化物种与有机污染物发生反应,使其降解为无害物质。
三、TiO2光催化反应的反应机制TiO2光催化反应的反应机制主要包括两个方面:1) 高活性氧化物种生成机制;2) 有机污染物的降解机制。
高活性氧化物种生成机制为:当TiO2表面的电子被紫外光激发,会形成自由电子和空穴。
自由电子在TiO2表面与氧分子发生反应,生成氧化还原活性物种,如羟基自由基;空穴则与水分子发生反应,产生羟基自由基和超氧自由基。
有机污染物的降解机制为:高活性氧化物种与有机污染物发生反应,形成过渡产物,并经过一系列反应逐步降解为无害物质。
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收稿日期 :2004 - 03 - 08 作者简介 : 任成军 ,女 ,四川大学在读博士生 。
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图1 一些半导体化合物的带隙能 Eg 和导带 、 价带能级 (p H = 0) 当用λ ≤388nm 的紫外光照射锐钛型 TiO2 时 , 电子从价带激发到导带上 , 在价带上留下空 + 穴 ,形成光生电子一空穴对 e cb - h vb 。由于库仑 引力作用 ,它们处于束缚态 。但如有电场或 “化学 + 场” 存在 ,则 e cb 与 h vb 发生分离并迁移到粒子表 面的不同位置 ( 当 TiO2 粒子浸没在溶液中时 , 由 于形成双电层 , 从而产生 “自建电场” ; 粒子/ 溶液 + 界面处的氧化剂或还原剂可俘获 e cb 或 h vb ,可视
,Ox 为氧化剂 , 即电子 ( 6)
-
所生成的超氧阴离子自由基 O ・ 2 还可继续 作用发生以下一些反应 :
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-
ZnO Nb2 O5 3. 2 388 3. 1 400
TiO2 ( R) 3. 0 413
WO3 2. 8 443
In2 O3 Bi2 O3 Fe2 O3 CdO 2. 7 459 2. 7 459 2. 2 564 2. 1 590
λ / nm
以上所述 ,可用以下反应式表示 :
TiO2
hv λ , ≤ 388nm
《四川有色金属》 Sichuan Nonferrous Metals
・1 9 ・
纳米 TiO2 的光催化原理及其应用
任成军1
②
①
李大成2 周大利2 刘恒2 钟本和1
( 1. 四川大学化学科学与工程系 成都 610065) ( 2. 四川大学无机材料科学与工程系 成都 610065)
-
氧化剂 , 这从表 2 数据可以看出 。它们的氧化能 力接近 F2 ,远远超过其他常用的一些氧化剂 。 表2 一些氧化剂的氧化电势[ 8 ] 氧化剂 氟 ( F2 ) + ) 空穴 ( hvb
) 羟基自由基 ( HO・ 原子氧 ( O) 臭氧 ( O3 ) 过氧化氢 ( H2 O2 )
( 9) ( 10) ( 11) ( 12)
・20 ・ 亦即光子波长 1240 λ≤hc ≤ ,nm Eg Eg 式中 ,h — 普朗克常数 ,4. 138 × 10 - 15 ev・ s;
2004 年第 2 期
c— 真空中光速 ,2. 998 × 1017 nm・ s- 1。 ( 2)
按式 ( 2) 计算得的某些半导体化合物的光吸 收波长阀值列于表 1 。
y- 2 ) O2 4
TiO 2 ,hv
XCO2 +
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・22 ・
ZH + + ZCl - + ( y- 2 ) H2 O 2
(e
cb
+h
+ vb )
TiO2 ( e
cb
) 子供体 。图 2 中 D ○ e e e
cb cb cb
, Red 为还原剂 , 即电 ( 5)
产生 ,图 2 中局部放大图) + ) ϖ TiO2 + Q + light ( e TiO2 ( e cb + h vb
h h h
+ vb + vb + vb
1 前 言
纳米 TiO2 是一种重要的功能材料 。尤其它 优良的光电化学特性 [ 1 ] , 可用以设计制造太阳能 电池 氨
[4 ] [2 ]
2 纳米 TiO2 的光催化原理
[ 14 - 16 ]
TiO2 是一种 n 型 ( 电子导电型 ) 半导体氧化
、 光催化分解水制氢
[3 ]
、 光催化固氮合成
《四川有色金属》 Sichuan Nonferrous Metals
+ O・ 2 + H ϖ HO2 -
・2 1 ・
( 7) ( 8)
2
OH - 和 H2 O 反应形成的羟基自由基 HO ・ 都是强
2 HO ・ 2 ϖ H2 O2 + O2
・ O・ 2 + HO 2 ϖ O2 + HO
H2 O 、 SO4 2 - 、 Cl - 等 , 因而纳米 TiO2 在污水处理
和大气治理中意义重大 。以下一些反应可作为纳 米 TiO2 光降解废水废气中有机污染物的具体实例 :
R - CH2 - CH3
TiO 2 ,hv , H2O
RCH3 + CO2 ↑ ( 15)
( 脂肪烃的降解 , 每生成一个 CO2 , 便减少一个碳
HO
2
+ H + ϖ H2 O2
hv
H2 O2
2 HO・
-
氧化电势/ V
3. 03 3. 0 2. 80 2. 42 2. 07 1. 78
・
H2 O2 + O ・ + OH - 1 + O2 2 ϖ HO・ h
+ vb 和
HO ・ 是强氧化剂 , 可氧化降解许多有
机物 :
HO・ + Org ϖ CO2 , H2 O , Cl - , SO4 2 - , H + ( 使有机 + h vb
1. 70 1. 68 1. 59 1. 57 1. 49 1. 45 1. Me n - morM o e O・ 2 ( 还原重金属离子为低价或零价)
( 15)
又从能量角度看 , HO ・ 具有 402. 8MJ ・ mol - 1 反应能 [ 17 ] ,大大高于有机物中各种化学键能 ( 见 表 3) ,因此可使这些化学键破坏 , 亦即几乎无选 择性而能完全降解各类有机物 ,最终矿化为 CO2 、
Abstract : In t his paper ,t he photocatalytic principle of nano2 TiO2 is int roduced. According to it s applica2 tion in t he field of wastewater t reat ment , air purification ,hydrogen production by t he photolysis of wate , solar cell etc ,t he photo catalytic principles of nano2 TiO2 are deeply discussed. Keywords :Nano2 TiO2 ; Photocatalysis ; Principle ;Application
Eg/ ev ZrO2 Ta2 O5 SnO2 5. 5 225 ZnS 3. 6 344 4. 6 270 CdS 2. 4 517 3. 8 326 MoS2 1. 2 1033 TiO2 ( A) 3. 2 388 PbS 0. 4 3100 (在界面处 h - h
cb + vb 对的 + vb 的氧化作用
物矿化 ,Org 表示有机物)
e e
- cb cb 和
( 13)
O
- 2 2
是强还原剂 ,可还原贵金属和重
金属离子 :
O・ 2 e
cb
+M
n+ e
ϖM o e ( 还原贵金属离子为零价)
( 14)
过羟基自由基 HO 2 高锰酸根 ( MnO4 次溴酸 ( HBrO) 二氧化氯 ( ClO2 ) 次氯酸 ( HClO) 次碘酸 ( HIO) 氯 ( Cl2 ) 溴 (Br2 ) 碘 ( I2 )
( 3) - h
+ vb 对
+ O2 ϖ O ・ 2
+ H2 O2 ϖ HO・ + OH + Ox ϖ Ox cb 的还原作用
) 的复合 ,并释热或发光 。图 2 中 A ○ 和B ○ + OH ϖ HO・ + H2 O ϖ HO・ + H+ + Red ϖ Red +
-
( 4)
(在界面处 e
受体 ,图 2 中 C ○
TiO 2/ pt ultra - handgap light
2004 年第 2 期
( 18) CO2 + H2 O ( 19)
TiO 2 ,air ,hv 1 O2 16CO2 + 2 ( 17) 6 H2 O + 3 HNO3 + H2 SO4 + HCl
3 应用实例
3. 1 废水处理 h
+ vb 本 身 及 由 它 与
C16 H18 N 3 SCl + 25
TiO 2 粒 子 表 面 吸 附 的
CxHyClz + ( x + (
等 。从而在能
源、 环保 、 建材 、 医卫等领域有重要应用前景 。而 且近期研究表明 [ 13 ] , 利用纳米 TiO2 / 玻璃复合材 料在紫外光作用下的超亲水性能 ,可生产自洁 、 防 雾、 防露的透光性玻璃 ,前景十分诱人 。 鉴于纳米 TiO2 在光催化领域的重要性和潜 在的巨大商机 ,结合我们在这方面开展的工作 ,本 文详细阐述了纳米 TiO2 的光催化原理 ,并对几个 重要的应用领域作了深入讨论 。