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上海矽諾國(guó)際貿(mào)易有限公司 2020-07-15 點(diǎn)擊2112次
1970年代，全球爆發(fā)了一次石油危機(jī),。1972年,，日本科學(xué)家在英國(guó)Nature雜志上首先報(bào)道了用TiO2作為光催化劑分解水制備氫氣，該發(fā)現(xiàn)對(duì)于利用太陽(yáng)能制備氫氣作為清潔能源有重大意義,，所以論文一發(fā)表就立即得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,。接著,，1977 年，科學(xué)家Bard 嘗試用TiO2 光催化劑把CN-氧化為OCN-,，開(kāi)創(chuàng)了用光催化劑降解污水中有機(jī)物的先河,。這對(duì)于解決目前全球工業(yè)化發(fā)展中出現(xiàn)的日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題有積極意義。
1.1 納米TiO2的技術(shù)特點(diǎn)
半導(dǎo)體光催化的原理如下: 用光照射半導(dǎo)體,，當(dāng)照射光光子的能量等于或高于半導(dǎo)體的帶隙能量時(shí),，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子就可吸收光子的能量并躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)產(chǎn)生光生電子－空穴對(duì),，快速遷移到半導(dǎo)體表面的空穴和光生電子分別與吸附在半導(dǎo)體表面的氧分子和水分子作用,，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化作用的活性氧和羥基，并與其接觸的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng),，使有毒有害物質(zhì)降解,，轉(zhuǎn)化為無(wú)毒無(wú)害物質(zhì)。半導(dǎo)體的禁帶寬度決定了光催化劑的激發(fā)波長(zhǎng),。禁帶越寬,，所需要的激發(fā)光光子能量越大，光波波長(zhǎng)越短,；反之,，禁帶越窄，所需要的激發(fā)光波長(zhǎng)越長(zhǎng),。表1 為一些代表性半導(dǎo)體的禁帶寬度,。
微米尺寸的TiO2對(duì)紫外光幾乎不吸收，而納米TiO2粒子對(duì)紫外光有強(qiáng)吸收作用,，這與納米材料的表面效應(yīng)有關(guān),。納米TiO2粒子在紫外光照射下，價(jià)帶中的電子被激發(fā),，從價(jià)帶向?qū)кS遷,，從而形成電子-空穴對(duì)。納米TiO2粒子禁帶寬度為3.0至3.2 eV,，能隙較大,，產(chǎn)生的光生電子和空穴的電勢(shì)電位較高，氧化還原性較強(qiáng),。另外,，納米TiO2粒子在日光照射下化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生光腐蝕,，并且耐酸堿性好,，對(duì)生物組織無(wú)毒性,。當(dāng)然,，納米TiO2粒子也存在光量子效率偏低,、易失活、難回收等不足,。
納米TiO2的制備方法很多,，常用的有物理法和化學(xué)法。一般來(lái)說(shuō),，物理法的制備工藝過(guò)程簡(jiǎn)單很多,，例如高能球磨法和物理氣相冷凝法，但是物理法在制備過(guò)程中,，存在原料物性相差較大,、不易完全混合均勻等問(wèn)題，制備的產(chǎn)品形貌,、粒徑,、性能等均勻性和一致性欠佳?；瘜W(xué)法主要包括化學(xué)氣相法(例如激光化學(xué)氣相沉積法),、液相法(例如溶膠-凝膠Sol-Gel法和水解沉淀法)、以及固相法(例如氧化還原法和熱解法),。跟物理法相比,，采用化學(xué)法制備的納米TiO2粒子形貌結(jié)構(gòu)和性能更優(yōu)，能夠滿足要求,，廣被采納,。
納米TiO2的應(yīng)用經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前納米TiO2光催化技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了研究應(yīng)用,，例如環(huán)境治理,、衛(wèi)生保健、建筑材料等領(lǐng)域,。
（1）凈化空氣領(lǐng)域,。納米TiO2在紫外光催化作用下，能夠把家具,、室內(nèi)裝飾材料等釋放出的有毒有害有機(jī)物徹底降解為二氧化碳,、水和其他小分子，顯著降低甚至消除有毒有害物質(zhì)在空氣環(huán)境中的濃度,，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染[7],。據(jù)報(bào)道，日本宇部工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了一種表面性能超強(qiáng)的TiO2納米纖維,，該納米纖維能在光催化作用下降解很多種有害污染物,，例如甲醛、破壞臭氧層的物質(zhì)氯氟烴CFC等,。此外,，納米TiO2光催化劑還能把大氣中的硫化物,、氮化物等污染氣體氧化成酸，然后通過(guò)降雨的方式從大氣中去除,。
（2）凈化水體和土壤領(lǐng)域,。對(duì)于水體和土壤中的有機(jī)酸類、雜環(huán)烴類,、酚類,、芳香族類等有機(jī)污染物，納米TiO2光催化劑也能夠有效脫色,、去毒,、降解成小分子物質(zhì)[8-10]。還能夠?qū)⒏邇r(jià)態(tài)的有毒重金屬離子通過(guò)氧化還原機(jī)理降低為低價(jià)態(tài),，從而顯著降低或消除有毒重金屬離子對(duì)環(huán)境的污染和危害,。科學(xué)家目前已發(fā)現(xiàn)通過(guò)納米TiO2光催化劑,，可以在紫外線照射下迅速降解3000多種難降解的有機(jī)物,。除了對(duì)廢水中的有機(jī)污染物進(jìn)行光催化降解，納米TiO2 光催化劑還可以降解無(wú)機(jī)化合物,。這些優(yōu)異的性能,，使得納米TiO2光催化劑在多種工農(nóng)業(yè)廢水（例如印染廢水、造紙廢水,、制藥廢水,、農(nóng)藥廢水）的處理上都
取得了較好的催化降解效果[11,12]。
(3)抗菌保潔領(lǐng)域,。納米TiO2在光照下產(chǎn)生的空穴和形成于表面的活性氧,，可與細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)的組成成分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使細(xì)菌頭單元失活而導(dǎo)致細(xì)胞死亡,，從而起到抗菌殺菌作用,。科學(xué)研究表明：納米TiO2不僅能將酵母菌,、乳酸桿菌,、大腸桿菌和葡萄球菌等病原微生物殺死，而且離子摻雜后的納米TiO2甚至在可見(jiàn)光下還能殺死環(huán)境中霉菌,、病毒,、甚至抗化學(xué)殺菌劑的隱孢子蟲(chóng)和梨形鞭毛蟲(chóng)[13]。日本在納米TiO2光催化抗菌材料的研發(fā)應(yīng)用起步較早,，例如日本東陶等公司開(kāi)發(fā)的光催化納米TiO2抗菌瓷磚和衛(wèi)生潔具等早已大量投放市場(chǎng),。
(4) 新能源領(lǐng)域。將納米TiO2用于能源催化材料是世界各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)之一,，例如通過(guò)光催化制備氫氣,，或許是
人類解決能源危機(jī)的一個(gè)好辦法,。但是，目前存在的問(wèn)題是制氫速率仍不高,，約為100 μmol·g－1·h－1，各國(guó)科學(xué)家們一直在努力提高納米TiO2光催化分解水這一反應(yīng)的光量子效率,。最近,，西班牙Marta Iglesias 教授課題組制備了多孔聚合物/TiO2異質(zhì)
結(jié)用于光催化制氫，具有比單獨(dú)的納米TiO2 更強(qiáng)的光催化活性,，更高的析氫速率,，以及顯著的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，制氫速
率值顯著提高到21000 μmol.g-1.h-1以上[14],。這標(biāo)志著納米TiO2光催化制氫獲得重大突破,。