专题一 纳米TiO2光催化材料及其应用
专题一 纳米TiO2光催化材料及其应用
2. 溶胶-凝胶法
先将醇盐溶于有机溶剂中，通过加入蒸馏水，使醇盐水解 形成溶胶，溶胶凝化处理后得到凝胶，再经干燥和煅烧得 到超细粉体 通过适当控制溶液的pH值、溶液浓度、反应温度和反应 时间，可制备出小至纳米级的超细粉体 优点易掺杂，缺点颗粒分布宽
3. 水热法
可用于制备100％纯度的板钛矿相TiO2 两类：（1）以含水的沉淀或无定型氧化钛粉体为前驱体， 适当添加一定量的催化剂；(2) 直接以钛醇盐或钛的无机盐 为原料添加一定的酸或碱以调节产物的形貌和晶型；
板钛矿TiO2 晶体结构
TiO2光催化机理
Conduction band
Aads D Dads Doxidized + Eg h Areduced band gap A
Valence band
semiconductor particle
热力学容许光催化氧化-还原反应发生的要求：受体电势比半导体导带 电势要低，供体电势要比半导体价带电势高。
3. 水热法
• 强酸性介质和较高的水热温度
pH值和温度的影响
有利于形成金红石型 • 中性及弱酸性介质和较低的反 应温度有利于形成锐钛矿相 • 中性和弱碱性条件有利于板钛 矿的生产
酸种类的影响
HCl和HNO3溶液中，有利于金红石相 H2SO4和HF溶液中，锐钛矿相
3. 水热法
SO42-的影响
室内环境净化
主要有机物光催化降解反应
有机物 烃 卤代烃 羧酸 表面活性剂 染料 含氮有机物 有机磷杀虫剂 催化剂 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 光源 紫外 紫外 紫外，氙灯 日光灯 紫外 紫外 紫外，太阳光 光解产物 CO2 ，H2O HCl，CO2，H2O CO，H2，烷烃，醇，酮，酸 CO2，SO32CO2，H2O，无机离子，中间物 CO32-，NO32-，NH4+，PO43-，F- 等 Cl-，PO43-，CO2
TiO2光催化技术的材料活性应用分析
TiO2光催化技术的材料活性应用分析摘要：为了进一步探究TiO2的光催化特性，文中首先对TiO2光催化活性及其光催化的影响因素，接着重点探讨了基于溶胶法制备的纳米TiO2的应用，包括卫生保健、防结雾和自清洁涂层、防晒油、化妆品以及塑料等的应用。
关键词：光催化溶胶法活性自清洁光催化反应是光和物质之间相互作用的多种方式之一，是光反应和催化反应的融合，是光和催化剂同时作用下所进行的化学反应。
纳米TiO2是一种新型的无机金属氧化物材料，它是一种N型半导体材料，由于具有较大的比表面积和合适的禁带宽度，因此具有光催化氧化降解一些化合物的能力，纳米TiO2具有优异的光催化活性，并且价格便宜，无毒无害等优点因此被广泛的应用。
一、TiO2光催化活性1.TiO2光催化材料特性TiO2光催化材料的特性：原料来源丰富，廉价。
但光致电子和空穴的分离转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低；光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带之间能隙大；光生电子的还原性和空穴的氧化性强）。
只能用紫外光活化，太阳光利用率低；化学性质稳定（耐酸碱和化学腐蚀），无毒。
但粉末状TiO2在使用的过程中存在分离回收困难等问题。
2.TiO2光催化活性的光催化的影响因素光催化活性的光催化的影响因素主要如下：TiO2晶体结构的影响——在TiO2的三种晶型锐钛矿、金红石和板钛矿中，锐钛矿表现出较高的活性，这是由于锐钛矿较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负的电位，因而具有较高的氧化能力，锐钛矿表面吸附H2O，O2及OH-的能力较强，导致光催化活性较高，在结晶过程中锐钛矿晶粒通常具有较小的尺寸及较大的比表面积，对光催反应有利。
TiO2表面结构的影响——光催化过程主要在催化剂表面发生，对于单纯的TiO2光催化剂，影响其光催化剂，影响其光催化活性的表面性质如下：表面积，尤其是充分接受光照的表面积；表面对光子的吸收能力；表面对光生电子和空穴捕获并使其有效分离的能力；电荷在表面向底物转移的能力。
纳米TiO2的光催化性能及其在有机污染物降解中的应用
纳米TiO2的光催化性能及其在有机污染物降解中的应用1前言随着石油工业的发展，以石油裂解产物为原料进行合成的有机产品越来越多，不可避免地带来环境污染问题。
随着对环境熟悉的不断深入和水处理技术不断提高，利用半导体光催化作用降解和消退有害有机物，就引起人们极大的关注，这种方法具有高效、节能、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。
其中，纳米TiO2尤为引人注目。
纳米TiO2在光照耀下产生剧烈的氧化能力，可把水和空气中的很多难分解有毒有机污染物氧化分解为二氧化碳、水等无机物，其优点是：反应条件温柔，能耗低，在紫外光或太阳光照耀下即可发生光催化反应；反应速度快，废水停留时间仅需要几分钟到几小时；降解没有选择性；无二次污染；应用范围广。
2机理TiO2属于Ｎ型半导体材料，具有能带结构，一般由填满电子的低能价带和空白的高能导带构成，价带和导带间存在禁带。
TiO2的禁带宽度为3.2eV，当它汲取波长小于或等于387.5nm 的光子后，价带上的电子(ｅ-)被激发跃迁至导带，形成带负电的高活性电子ecb-。
同时，在价带上产生带正电的空穴(hvb+)，在电场作用下，电子与空穴分别并迁移到粒子表面。
光生空穴有很强的捕获电子能力，具有强氧化性，可将吸附在TiO2表面的ＯＨ－和Ｈ２Ｏ分子氧化成·ＯＨ自由基。
其反应机理可用下式表示：TiO2＋H2O→ｅ-＋ｈ+Ｈ+＋Ｈ2Ｏ→·ＯＨ＋Ｈ+Ｈ+＋ＯＨ-→·ＯＨＯ2＋ｅ-→·Ｏ2-·Ｏ2-＋Ｈ+→ＨＯ2·２ＨＯ2·→Ｏ2＋Ｈ2Ｏ2Ｈ2Ｏ2＋Ｏ2-→·ＯＨ＋ＯＨ-＋Ｏ2·ＯＨ自由基的氧化能力很强，能将大多数有机污染物及部分无机污染物氧化降解为ＣＯ2，Ｈ2Ｏ等无害物质，且·ＯＨ对反应物无选择性，在光催化氧化中起着打算性作用。
3影响光催化活性的因素3.1晶体结构用于光催化的纳米TiO2有金红石和锐钛矿两种晶型，由于在两种晶体中Ti-O八面体的畸变程度和八面体间相互联接的方式不同，使两种晶型在质量密度及电子能带结构上存在差别。
11、纳米TiO2的光催化原理及其应用
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
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
摘要 : 本文详细介绍了纳米 TiO2 的光催化原理 ,并结合其在污水处理 、 空气净化光解 水制氢 、 太阳电池等方面的应用进一步作了深入讨论 。 关键词 : 纳米二氧化钛 ; 光催化 ; 原理 ; 应用
纳米TiO2光催化材料及其应用
Pt
Doxidized
光生电子在Pt岛上富集，光生空穴向TiO2晶粒表面迁移，这样形成的微电池促进了光生电子和空穴的分离，提高了光催化效率
离子掺杂的TiO2光催化性能
光敏化原理示意图
CB
VB
h
S0
S1
TiO2
色素或染料
ES1 ﹥ ECB 有光生电流产生
CB
VB
h
S0
S1
技术和材质要求高，工艺复杂，投资大
微乳液法
可有效控制TiO2纳米粉末的尺寸
易团聚
粉体纳米TiO2光催化剂的制备
01
环保方面的应用 卫生保健方面的应用 防结雾和自清洁涂层 光催化化学合成
02
纳米TiO2光催化剂的应用
有机污染物的处理 无机污染物的处理
光催化能够解决Cr6+、Hg2+、Pb2+等重金属子的污染问题
纳米 TiO2光催化材料及其应用
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光催化技术的发展概况
A.1972年Fujishima和Honda在n-型半导体TiO2电极上发现了水 的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕。 B.1976年Garey用TiO2光催化剂脱除了多氯联苯中的氯，1977年Frank光催化氧化CN-为OCN-，光催化技术在环保方面的应用 研究开始启动。 C.近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的 应用研究发展迅速，纳米光催化成为国际上最活跃的研究领 域之一。
锐钛矿相
金红石相
制备方法
优点
不足
溶胶-凝胶法 （sol-gel）
粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性好
前驱体为钛醇盐，成本高
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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《2024年纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究》范文
《纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究》篇一一、引言随着环境保护意识的提高和可持续发展的需求，光催化技术因其在太阳能利用、环境污染治理及光催化反应等多个领域的广泛应用而受到广泛关注。
其中，纳米TiO2光催化剂因其优异的性能和低廉的成本，成为当前研究的热点。
本文将重点探讨纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究。
二、纳米TiO2光催化剂的制备1. 物理法物理法包括气相法、真空蒸发法等，主要通过高温处理获得高质量的纳米TiO2粉末。
其优点是制得的纳米粒子具有较好的晶型结构，但存在生产效率较低，成本较高的缺点。
2. 化学法化学法包括溶胶-凝胶法、水热法等。
其中，溶胶-凝胶法是通过在溶液中制备出均匀的溶胶，然后通过热处理获得纳米TiO2。
水热法则是在高温高压的水溶液中直接进行化学反应。
这两种方法均具有较高的生产效率和较低的成本。
三、纳米TiO2光催化剂的改性由于纳米TiO2光催化剂在可见光区域的响应能力较弱，研究者们通过掺杂、表面修饰等方法对其进行改性。
1. 掺杂掺杂是提高纳米TiO2光催化剂可见光响应能力的一种有效方法。
通过在TiO2晶格中引入其他元素（如氮、硫等），可以拓宽其光谱响应范围，提高对可见光的利用率。
2. 表面修饰表面修饰是通过在纳米TiO2表面引入其他物质（如贵金属、金属氧化物等）来改善其性能。
这些物质可以有效地捕获光生电子和空穴，抑制其复合，从而提高光催化效率。
四、纳米TiO2光催化剂的应用研究1. 环境保护领域纳米TiO2光催化剂在环境保护领域的应用主要包括废水处理、空气净化等。
其优异的氧化还原性能可以有效地降解有机污染物，净化空气和水质。
2. 能源领域纳米TiO2光催化剂在能源领域的应用主要包括太阳能电池、光催化制氢等。
其可以通过吸收太阳能并产生光生电子和空穴，从而实现光电转换或光催化反应，为能源的可持续利用提供新的途径。
五、结论纳米TiO2光催化剂因其优异的性能和低廉的成本，在环境保护和能源领域具有广泛的应用前景。
工业废水处理中纳米TiO2光催化技术的应用
工业废水处理中纳米TiO2光催化技术的应用工业废水处理中纳米TiO2光催化技术的应用一、引言工业废水的排放对环境产生了严重的污染，给人类和生态系统带来了巨大的威胁。
因此，工业废水的处理成为了一个迫切需要解决的问题。
其中，纳米光催化技术因其高效、环保、可控等特点，逐渐成为了工业废水处理的研究热点，尤其是纳米二氧化钛（TiO2）光催化技术。
二、纳米TiO2的特性纳米TiO2是一种具有高表面积和优良光催化性能的纳米材料。
纳米颗粒的小尺寸使得其具有更大的表面积，从而增加了有效反应位点的数量，提高了催化效率。
此外，纳米TiO2还具有稳定性高、光催化效果可调控等优点，使其成为理想的工业废水处理材料。
三、纳米TiO2光催化技术原理纳米TiO2光催化技术主要通过纳米TiO2对光的吸收，并产生活性氧（如羟基自由基）来加速废水中有机物降解。
在光照下，纳米TiO2表面产生的活性氧与废水中的有机物发生氧化反应，将有机物降解为无害物质，从而达到净化废水的目的。
此外，纳米TiO2光催化技术还可以通过短波紫外线激发下的电子-空穴对来完成废水中污染物的降解。
四、纳米TiO2光催化技术在工业废水处理中的应用1. 有机物降解纳米TiO2光催化技术能够高效降解废水中的有机物污染物，如苯酚、染料、农药等。
通过调控TiO2的粒径和晶相，优化光催化条件，可以提高降解效率。
2. 重金属去除工业废水中的重金属污染物对水环境和生态系统具有严重的危害。
纳米TiO2光催化技术可以通过光催化、吸附和还原等多种机制同时去除废水中的重金属离子，如铅、镉、铬等。
3. 破坏微生物工业废水中常存在有害微生物，如细菌、病毒等。
纳米TiO2光催化技术可以利用其对有害微生物的强氧化作用，破坏其细胞结构，从而达到杀灭微生物的目的。
五、纳米TiO2光催化技术的优势与挑战1. 优势（1）高效性：纳米TiO2具有高度的催化活性和选择性，能够实现高效降解废水中的有机物和重金属污染物。
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室内环境净化
主要有机物光催化降解反应
有机物 烃 卤代烃 羧酸 表面活性剂 染料 含氮有机物 有机磷杀虫剂 催化剂 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 光源 紫外 紫外 紫外，氙灯 日光灯 紫外 紫外 紫外，太阳光 光解产物 CO2 ，H2O HCl，CO2，H2O CO，H2，烷烃，醇，酮，酸 CO2，SO32CO2，H2O，无机离子，中间物 CO32-，NO32-，NH4+，PO43-，F- 等 Cl-，PO43-，CO2
可用于制备100％纯度的板钛矿相TiO2
两类：（1）以含水的沉淀或无定型氧化钛粉体为前驱体， 适当添加一定量的催化剂；(2) 直接以钛醇盐或钛的无机盐 为原料添加一定的酸或碱以调节产物的形貌和晶型；
3. 水热法
• 强酸性介质和较高的水热温度
pH值和温度的影响
有利于形成金红石型 • 中性及弱酸性介质和较低的反 应温度有利于形成锐钛矿相 • 中性和弱碱性条件有利于板钛 矿的生产
h ≥ E g A D h+ eTiO2
Pt
Hale Waihona Puke Areduced光生电子在Pt岛上富集，光生空 穴向TiO2晶粒表面迁移，这样形 成的微电池促进了光生电子和空 穴的分离，提高了光催化效率
Doxidized
离子掺杂的TiO2光催化性能
2001年Asahi等日本学者报道了 氮掺杂的TiO2 ,引起人们对阴离 子掺杂光催化剂及其可见光响应 性能的广泛兴趣。
-0.5
0 +0.5 +1.0 △E=1.4eV
(n)
+1.5
+2.0 +2.5 +3.0
--Cl2/2Cl-(1.40eV)
--O3/O2+H2O(2.07) --F2/2F-(2.87)
+3.5
+4.0
锐钛矿相和金红石相二氧化钛的能带结构
CB/e0.2eV
3.2eV
CB/e-
3.0eV
两者的价带位置相同，光生空穴具有相同的氧 化能力；但锐钛矿相导带的电位更负，光生电 子还原能力更强 混晶效应：锐钛矿相与金红石相混晶具有更高 光催化活性，这是因为在混晶氧化钛中，锐钛 矿表面形成金红石薄层，这种包覆型复合结构 能有效地提高电子－空穴对的分离效率
TiO2光催化机理
空穴与表面吸附的H2O或OH-离子反应生成强氧性的羟基 自由基
电子与表面吸附的氧分子反应，成为自由基的另外一来源
超氧离子自由基
光催化剂的纳米效应
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，使得不能被普通微米级粒子还原的分子可被 超微粒子还原。类似电极反应中电压增大的效果。
板钛矿TiO2 晶体结构
TiO2光催化机理
Conduction band Aads D Dads Eg h + Areduced band gap Valence band
A
Doxidized
semiconductor particle
热力学容许光催化氧化-还原反应发生的要求：受体电势比半导体导带 电势要低，供体电势要比半导体价带电势高。
Ti/SO42-=1:0, 20℃
2. 溶胶-凝胶法
先将醇盐溶于有机溶剂中，通过加入蒸馏水，使醇盐水解 形成溶胶，溶胶凝化处理后得到凝胶，再经干燥和煅烧得 到超细粉体 通过适当控制溶液的pH值、溶液浓度、反应温度和反应 时间，可制备出小至纳米级的超细粉体 优点易掺杂，缺点颗粒分布宽
3. 水热法
专题一
纳米 TiO2光催化材料及其应用
目录
TiO2晶体结构与光催化原理 纳米TiO2粒子的制备 纳米TiO2光催化材料的应用实例 纳米TiO2的光催化性能的改进
TiO2的晶体结构
0.376
Anatase Brookite Rutile
TiO2的晶体结构
TiO2的晶体结构
理论计算表明：
Calcined at 450℃ 100℃
40℃
Benzyl alcohol/TiCl4=20:1
6. 溶剂热合成法
形成机理 分散
trioctylphosphine oxide
不同方法纳米TiO2粉体性能比较
三、纳米TiO2光催化材料应用
光催化技术的发展概况
1972年Fujishima和Honda在n-型半导体TiO2电极上发现了水 的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕。 1976年Garey用TiO2光催化剂脱除了多氯联苯中的氯，1977年 Frank光催化氧化CN-为OCN-，光催化技术在环保方面的应用 研究开始启动。 近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的应 用研究发展迅速，纳米光催化成为国际上最活跃的研究领 域之 一。
ES1 < ECB 无光生电流产生
色素玫瑰红、钌的二吡咯配合物的衍生物、六氰合铁络离子、 罗丹明B、叶绿素、亚甲兰、硫堇、喹喔啉
偶合型复合半导体电荷分离示意图
CB — h A VB + A+ CdS B — CB Bh + VB
TiO2
包覆型复合半导体电荷分离示意图
TiO2
— —
CB CB
h A +
VB/h+
锐钛矿相
VB/h+
金红石相
二、纳米TiO2粒子的制备
1. 四氯化钛水解法
工艺
反应式
1. 四氯化钛水解法
不同条件下制备的粉体的性能比较
1. 四氯化钛水解法
电镜照片
Ti/SO42-=20:1, 70℃
Ti/SO42-=1:2, 95℃
煅烧后
Ti/SO42-=1:0, 70℃ Ti/SO42-=20:1, 20℃
光催化污水处理装置
抛物面槽光反应器
复合抛物面集中光反应器
光催化污水处理装置
其它光反应器
• 带反射装置或不带 反射装置的管式光 反应器 • 双层外壳平板式光 反应器 • 薄板固定床光反应 器
纳米TiO2光催化绿色涂料对室内氨气等的降解
放入涂料板后 一天 0.60 0.43 两天 五天 七天 0.32 0.21 0.22 0.13 0.18 0.07
for 72 h
flower-like rutile aggregates sitting on top of an anatase layer,
consisting of well-aligned nanorods with average diameters of ca. 25 nm and an aspect ratio of ca. 6
过渡金属离子的掺杂会在半导体晶格中引入能捕获光致 电子和空穴的缺陷；或改变结晶度，使激发光的波长红移
光敏化原理示意图
CB
h
S1
CB
S1
h
S0 色素或染料 VB TiO2 VB TiO2
S0 色素或染料
只有色素的最 低空能级电位比 半导体导带能级 的电位更负时， 才能产生电子输 入的增感
ES1 ﹥ ECB 有光生电流产生
使某些致癌细胞失活
卫生保健方面的应用
防结雾和自清洁涂层方面的应用
在紫外光照射下，水在氧化钛薄膜上完全浸润。因此，在浴室 镜面、汽车玻璃及后视镜等表面涂覆一层氧化钛可以起到防结雾 的作用
在窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表面涂 覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛在太阳光照射下产生的强氧化能 力和超亲水性，可以实现表面自清洁
粒径小于11nm，锐钛矿相最稳定 粒径介于11-35nm，板钛矿相最稳定 粒径大于35nm，金红石相最稳定
TiO2的晶体结构
TiO2的晶体结构
金红石TiO2晶体结构
TiO6八面体呈链状排列，十二条边中有两条共用
金红石TiO2晶体结构
锐钛矿TiO2晶 体结构
•层与层之间八面体通 过共边方式连接 •每四个八面体层，相 同结构就会重复一次
酸种类的影响
HCl和HNO3溶液中，有利于金红石相 H2SO4和HF溶液中，锐钛矿相
3. 水热法
SO42-的影响
TiCl4/SO42- (mol ratio) 150 48
板钛矿晶粒
锐钛矿晶粒
4. 气相法
物理气相沉积法 化学气相沉积法
电弧加热合成法 激光诱导气相沉积法 等离子气相合成法
TiO2光催化材料的特性
光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带之间的 能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化性强） 化学性质稳定(耐酸碱和光化学腐蚀),对生物无毒 在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜 原料来源丰富
纳米TiO2是当前最有应用潜力的光催化剂
纳米TiO2光催化剂的应用
颗粒分布宽、粒径大，掺杂可减小粒径
TiCl4
TiCl4+5%BCl3
5.微乳液法
微乳粒径范围5～100nm，可制备纳米尺度近乎单分散的氧 化钛纳米粉体。由于颗粒团聚度低，可有效避免煅烧过程中 晶粒的快速生长。
微乳、胶束和反胶束示意图
6. 溶剂热合成法
苯甲醇＋TiCl4 (or 四异丙氧基钛)
Wu JM, Qi B, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 666-673 Wu JM, Qi B, J. Am. Ceram. Soc., 2007, 90 [2] 657–660
有机污垢
无机污垢
CO2 H2O
TiO2薄膜
光催化化学合成
有机合成
光催化不仅可分解破坏有机物，在适当条件下还能用 来合成一些有机物。如在非水溶剂中，苯乙烯光催化聚合 生成聚苯乙烯，MMA光催化聚合生成PMMA