TiO2光电催化文献综述
7页1、TiO2 光电催化文献综述摘要:TiO2光电催化是一种电化学辅助的光催化反应技术,通过施加外部偏压 减少光生电子和空穴的复合,从而提高其量子效率。本文综述了TiO2光电催化的 原理,纳米TiO2薄膜电极的制备方法,讨论了影响光电催化的因素,并提出了存 在的问题和将来的发展方向。关键词:TiO2,光电催化,应用,进展20世纪90年代以来,TiO2多相光催化在环境保护领域内的有机、无机污染物 的去除方面取得了较大进展,被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术。 TiO2因其光稳定性高、化学性质稳定、难溶、无毒、成本低、具有高效性,被广 泛用于光催化法处理有机或无机废水。但是由于TiO2的禁带宽度较宽(3.2eV), 仅能被波长较短的紫外线激发,故使得太阳能的利用率很低。另外,由于光激发 产生的电子与空穴的复合,导致光量子效率很低,为了克服这些缺点, 近年来, 离子修饰TiO2是提高其光催化活性的一条很好的途径,成为目前光催化技术的研 究热点。但在实际的研究应用中,TiO2光催化存在3个比较明显的问题:(1)光催 化剂受光照射后产生的电子空穴对复合概率较大,因而光子利用效率较低,光催 化活
2、性不高。(2)纳米TiO2用于光催化剂时,在既保持高的催化活性又满足特定 材料的理化性能要求前提下,难以在不同材料表面均匀且牢固地负载催化剂,使 催化剂不易分离。(3)纳米TiO2只能吸收太阳光中波长小于387nm的紫外线部分, 太阳能利用率低近年来,基于光催化发展起来的光电催化技术有望解决上述问 题,已经受到广泛的关注和研究1。光电催化技术以纳米TiO2固定在导电基材上,采用电化学辅助方法,能有效 促进TiO2光生电子-空穴对的分离,提高其催化效率,解决催化剂固液分离问题, 因而倍受关注。光电催化技术的研究目前主要集中在具有良好光催化性能的TiO2 膜电极的制备、光电催化反应器的设计以及影响催化电解条件的因素等方面。 1 光电催化原理当能量大于或等于TiO2带隙能的光照射时,TiO2吸收光子产生电子-空穴对, 经过禁带向来自溶液或气相且吸附在其表面的物种转移电荷。空穴夺取颗粒表面 吸附物或溶剂中的电子,与供给电子的物种结合,使该物种(常为有机污染物)被 氧化,电子受体(通常是水溶液中的氧)接受表面电子被还原。但同时,电子-空穴 在表面和内部可以发生简单复合,降低其光催化效率。光电催化
3、可提高光催化效率,电极作为TiO2的载体,可避免催化剂的分离, 有利于重复使用。光生电子在外加阳极偏压作用下向对电极方向运动,避免光生 电子-空穴简单复合,提高其对废水的光催化效率。2 光电催化技术研究2.1纳米TiO2薄膜电极的制备光电催化系统中,负载TiO2的电极作阳极,对电极一般是金属电极,参比电 极可以是饱和甘汞电极或氯化银电极。对电极和参比电极一般为商品材料, TiO2 薄膜电极需制备。TiO2薄膜电极的制备通常以导电基材如活性炭、钛板、泡沫镍、 半导体氧化物ITO膜、导电玻璃、不锈钢片等作载体,常用的方法有阳极氧化、 涂覆法和溶胶-凝胶浸渍提拉法等,为进一步提高其光电催化效率,有时还对薄 膜进行金属离子或贵金属掺杂。J. Matos等以活性炭为基材,PTFE为胶粘剂制得TiO2/活性炭薄膜电极,并 研究了对苯酚水溶液的光电降解效率T.A. Egerto n等同样掺杂活性炭制备二氧 化钛的碳电极,并且修改溶胶-凝胶法的路线,通过降解草酸钠溶液,获得了最 高的光电流和最高的催化活性。I. Losito等通过X射线光电子能谱(XPS)分析表 征了复合二氧化钛-聚偏二氟乙烯(PVD
4、F)膜应用于开发光催化降解污染物,用于 农药合成光催化降解,PVDF-TiO2膜也在异丙隆(一种除草剂)上有初步的光催化 降解实验,在太阳紫外光照射下,二氧化钛光催化效率的固定化的健全和完善起 到了很大的作用。K. Zakrzewska等进行了贵金属/二氧化钛纳米金属陶瓷的光电 催化应用,实验表明它提高了 TiO2光电阳极的光谱特性,得出SPR与贵金属微粒 的密度、尺寸和分布有关。M.M. Rahman等用溶胶-凝胶法制备纯净的铅掺杂二 氧化钛薄膜并研究其光学特性及光谱研究X射线电子能谱。Wang等7采用水热法 制备不同稀土元素(Eu、La、Nd、Pr、Sm)掺杂TiO2纳米粒子,进行了表征,光电 化学以及光催化性能。结果表明,La的最佳值(ca. 0.5%)能使速率常数(k)、平均 初始率达到最大值。Li等采用激光辅助溶胶凝胶法制备了TiO2/Ti电极,并测定 了电极上光响应电流与废水COD间的关系,结果表明,光电流与COD成正比。 Quan等首先在Ti片表面氧化形成TiO2薄层,采用光还原沉积掺杂制备了Pt-TiO2/T i电极,并研究了光催化、电解氧化和光电协同作用降解染料。侯桂
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