【纳米二氧化钛光催剂在环保领域中的应用】纳米二氧化钛的制备

　　【摘要】本文综述了纳米二氧化钛的的基本性质与反应机理，及利用该机理高效降解有机物的研究进展，重点总结了纳米二氧化钛在大气污染、气体净化、抗菌除臭、有机污水和城市垃圾处理方面的应用，并对如何提高二氧化钛光催剂的催化活性提出了展望。
　　【关键词】纳米二氧化钛;光催化降解;环境处理
　　
　　0.前言
　　1972年Fujishma和Honda发现锐钛纳米二氧化钛微粒在紫外光照射下能使水持续光解生成氢气和氧气[1]。从此有关二氧化钛等半导体光催剂成了近三十年来环境科学领域的研究热点，光催化氧化技术作为一种新兴的高级氧化处理技术，由于其有着高催化活性、化学性质稳定、对有机物的降解无选择性等优点使得它在环境治理方面起到了极其重要的作用。如今利用纳米二氧化钛光催化技术降解大气中的有害气体、净化室内空气、灭菌除臭、降解有机污水、处理城市垃圾等，已经取得了很好的效果。
　　1.纳米二氧化钛光催化剂
　　1.1 纳米TiO2性质及光催化性质
　　纳米二氧化钛具有纳米材料的小尺寸效应、高比表面效应、高化学活性特点，具有很高的光催化性能。纳米二氧化钛以其价廉无毒、具有合适的禁带宽度、大的比表面积、高的化学稳定性、强的氧化还原能力、无二次污染且可重复使用等优点而倍受青睐。
　　二氧化钛的光催化特性就是由它的特殊能带结构所决定的。在紫外光的作用下，二氧化钛的价带电子被激发到导带上，产生高活性的电子―空穴对，电子―空穴对转移到本体表面后能被不同的点捕获，进而使空气中的氧及水活化产生活性氧自由基（O2-）和(OH・)自由基[2]，O2-并与H+作用生成HO2-自由基。HO2-自由基和OH・自由基羟基具有很高的反应活性，当污染物吸附于基表面时，就会与自由电子和空穴结合，发生氧化反应，从而分解污染物。
　　2.纳米TiO2 在环境治理方面的应用
　　2.1降解大气中的有害有机物
　　随着人类科技的进步，工业发展日益庞大，同时也带来了严重的大气污染问题，其中最为严重污染物有NOx、H2S、SO2、挥发性有机物（VOCS）等，它们可以引起光化学烟雾、酸雨、臭氧层破坏等一系列重大灾害，如何降解这些有害物质引起了全人类的关注。纳米TiO2在紫外光的照射下可将催化剂表面吸附的NOx 、 H2S、 SO2等分解。Sc Lee等[3]将TiO2负载于活性碳(AC)上，在最优条件下对低浓度的NOx净化率达到90%，袭著革等[4]研究表明在组成为90% TiO2+10%金属氧化物的光催化剂对低浓度的H2S和SO2的分解率分别为97%和99%。且光催化氧化法在正常条件下能将大气中的有机物分解成二氧化碳，水和其它无机物。吴雅睿等[5]通过实验测得pH=7，甲醛溶液为40mg/L时，TiO2锐钛矿与金红石晶型比为1：15g/L的TiO2 对新装修房屋里面的甲醛的降解率达到96.72%；采用TiO2对苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯5种污染物在空气湿度范围内进行光催化氧化，其降解率将近100%，且不会造成二次污染[6]。
　　2.2 处理有机污水
　　水污染遍布所有的行业中，主要以化工废水，印染污水，含油废水，有机农药等污染为主。造成污水的化合物成分复杂种类繁多，主要包括酚类，芳烃，杂环及其衍生物等，这些污染物含量较多，同时毒性大，一直是污水处理过程中的疑难问题。 纳米TiO2拥有巨大的比表面积，通过与废水充分接触使有机物最大程度的被吸附；同时依靠其在光催化条件下的强氧化能力，可以快速将有机物氧化降解。鞠剑峰等[7]利用TiO2复合粉体对染料类化合物降解，即在可见光照射下，染料类化合物吸收光子而形成激发态，激发态的染料分子能向TiO2导带注入一个电子而自身生成正碳自由基，注入导带的电子与吸附在TiO2表面的O2作用后生成O2-，进一步形成・HOO等活性自由基，活性自由基攻击染料正碳自由基，形成羟基化合物，最终氧化生成小分子，使得染料污水的降解率达到74.7%。同样在对有机磷农药污水的降解表明通过光催化氧化，含磷有机物基本上可以完全无机化生成定量的PO43-。
　　2.3降解生活垃圾及医学除菌
　　降解处理生活垃圾，然而生物降解并不能降解所有的物质，而TiO2的强氧化性几乎对所有的有机物降解无选择性，可以降解一些生物降解难于降解的物质如色素，COD等，这种处理方法不仅速度快，效果好而且经济有效地缓解城市垃圾给环境带来的巨大压力。TiO2在医学领域的应用原理也基于自身的半导体光催化特性，TiO2光催化剂对绿脓杆菌，大肠杆菌，金黄色葡萄球菌有很强的杀菌能力。TiO2被紫外光激发产生的活性氧自由基和羟基自由基能穿透细胞壁，破坏细胞质从而有效的杀灭细菌，并能抑制细菌体内有机物的分解而产生的臭味，达到抗菌除臭功能，因此可以用纳米TiO2配制成光催化染料涂于医院的手术台和墙面上，这样可以让手术室长期保持一个清新、无菌的环境。
　　3.提高TiO2光催化活性
　　纳米二氧化钛在环保领域应用广泛，但由于其自身的导带宽度较窄，电子-空穴易复合等原因，使得TiO2光催化活性还有待于提高。通常可以通过掺杂过渡金属元素、负载化、协同催化、表面处理等提高TiO2的光催化活性。
　　段晓东等[8]在二氧化钛中掺杂质量分数为0.05%Fe催化活性要比使用纯的二氧化钛降解率提高了1.36倍，在二氧化钛中掺铁量为0.1660%使光催化降汽油中的有机物达到了98%而掺杂了矾的二氧化钛催化剂在相同条件下对H2S降解率提高了63%。程大莉[9]的研究指出，利用竹炭负载二氧化钛光催化降解苯酚明显提高了降解速率。鞠剑峰[7]等利用Fe3O4为磁性载体外包附纳米二氧化钛复合粉体制成的磁性悬浮负载型催化剂，既具备了悬浮光催化剂的高效性又可利用其磁性克服悬浮式催化剂难回收的特点，并通过实验表明纳米ZnO_TiO2/SiO2/Fe3O4复合粉体在阳光下能有效的降解废水，当复合粉体用量为1g/L载体SiO2/Fe3O4用量为22%时可以使印染污水脱色率达到68.7%。赵德明等[10]用US/UV降解苯酚，结果表明降解率提高了1.5―1.7倍。表面光敏化可以延伸TiO2的激发波长范围，提高长波辐射的光子利用率，提高了TiO2光量子效率。添加光敏化剂若丹名B可提高TiO2对光能的利用率。 利用还原性气体对TiO2进行热处理可在其表面产生更多Ti3+，在TiO2表面形成合适的钛羟基和Ti3+的比例结构，促进电子和空穴的有效分离和界面电荷转移，从而提高光催化活性。
　　4.结束语
　　随着光催化技术和纳米TiO2技术的研究深入，纳米TiO2已经广泛应用于环境保护中的各个领域，但是我国在该技术上起步较晚且大部分停留在实验室，严重阻碍了这一绿色环保材料的实际应用，因此应该努力尽快将这些应用付诸于实际生产，为环境保护事业做出贡献，为生活环境带来洁净。■
　　
　　【参考文献】
　　［１］Fujishma A.Electrochemical Photolysis of Water at Semiconductor letrod[J].Nature,1972,37(l):283-245.
　　［２］刘建平，赵晓声.二氧化钛光催化技术净化有害气体的研究进展.工程设计与研究[J]，2006.
　　［３］Sc Lee.Combination effect of activated carbon with TiO2 for the photodegradation of binary pollutants at typical indoor air leve[J].Jiurnal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry,2004,161(2-3):131-140.
　　［４］袭著革，李官贤.复合纳米TiO2净化典型室内空气污染物的初步研究[J].中国环境卫生2003,6（1-3）：121-124.
　　［５］吴雅睿，刘建，林舒.TiO2光催化降解处理水溶性甲醛的研究[J].应用化工，2010，03，329-332.
　　［６］Jo W K，Park J H，Chun H D.Photocatalytic destruction of VOCs for in �vehicle air cleaning[J].Photochem Photobiol A Chemistry，2002;148(1-3):109-119.
　　［７］鞠剑峰，汪冬庚，等.磁载纳米TiO2复合粉体处理印染污水[J].印染,2009，35(5):30-33.
　　［８］段晓东，孙德智.掺杂TiO2催化剂光催化氧化汽油研究[J].哈尔滨工业大学学报，2002,34(5)：725-729.
　　［９］程大莉，等.TiO2/竹炭复合材料的吸附光催化降解苯酚的动力学研究，浙江林学院学报,2010，27(2)：205-209.
　　［１０］赵德明，史惠祥，雷乐成,等.US/UV协同催化降解对氯苯酚[J].环境科学学报，2003，23(5)：588-592.