第三节 二氧化钛光催化剂的应用.doc

第三节 TiO2光催化剂的应用20世纪九十年代，随着纳米科技的高速发展，一些提高半导体纳米颗粒光催化手段的一一得到实现，通过实验设计提高光催化材料的量子产率成为可能，为纳米光催化技术的实际应用提供了良好的机遇。近几年来，TiO2光催化剂在合成和提高大气、污水处理光催化效率等领域，每年都有大量科学论文发表。在生产实践中，半导体光催化和光化学产生了令人震惊的效益。目前关于半导体光催化剂的实际应用研究主要集中在以下几个方面：1.3.1 清洁新能源的开发由于化石燃料的燃烧和石油和煤的不断开采，人们赖以生存的非可再生资源在日益减少。同时，它们经过燃烧后释放出的温室气体和一些硫氧化物、氮氧化物对环境产生的副作用是无法估量的，所以研究新的可替代的清洁能源受到广泛关注。氢气由于其能量高，燃烧后产生水，对环境友好，如果能够把太阳能转化为氢能源并储存起来是解决未来能源的主要途径之一。利用以二氧化钛为代表的半导体光催化分解水制氢是实现这一目标最简单易行、最有发展前途的方法。光催化产生的氢气是无污染的、高效的、洁净的能源，但此法产生的氢气产率低，进展慢。据报道，Pt-RuO2/TiO2是目前光解水制氢效果最好的催化剂53。1.3.2 有机废水的降解由于生产实际的需要和新型药物的合成导致大量的医药中间体和有机废液的被人们合成出来，这些有机物多数都是有毒的并且很难自然分解，在一些生物体内容易富集。如果随意废弃到自然界中就会对环境、其他生物造成很大的污染，最终将危害人类。纳米TiO2在光催化降解有机物有很大的优势，有机物经其降价后的终产物H2O、CO2、NO3-、PO43-、卤素等无机小分子，不会产生二次污染，达到安全无机化的目的。目前已发现有3000多种难降解的有机物可以利用光催化降解技术迅速分解54，尤其是当水中有机污染物降价难度高和浓度高时，用此方法有着更明显的优势。目前，随着科研条件日益变革TiO2光催化在实验室中进行广泛的研究，张颖等人55等人对工业废水中含有的多种有机污染物的光催化降价进行了系统的研究，结果表明纳米TiO2的光催化氧化法可将水中的表面活性剂、卤代物、烃类、羧酸、含氮有机物、多氯联苯、染料、有机磷杀虫剂等复杂的有机试剂快速并完全氧化为CO2和H2O等无机的无害物质，无二次污染。Naomi Stock56技术和光催化技术的联合起来研究偶氮染料(naphthol blue black，NBB)的降解，得到了良好的结果。由日本三菱制纸公司合成的TiO2和无机粘着剂复合材料的光催化薄板，对甲硫醇、乙醛、硫化氢、氨、甲醇、三甲氨等产生良好降价性能。1.3.3 有害气体的降解随着汽车工业和装修行业的日益发展，大气污染和室内空气污染越来越严重，气体污染问题已不容忽视。目前这一问题的解决主要途径依靠逐渐发展起来的纳米TiO2光催化降解技术。室内装修产生的有害气体主要有装饰材料等释放的甲醛及日常生活中能够产生的硫化氢、氨气、甲硫酵气等，这些气体在含量极少时便会使人感到不适。纳米TiO2可以通过光催化技术将这些有毒气体吸附于其表面并将这些物质氧化降解，从而了室内空气中的有害气体的浓度。大气污染气体主要来自于汽车尾气与化工工业废气等带来的硫氧化物和氮氧化物，纳米TiO2可以通过光催化技术将这些气体氧化成我们常用的无机酸，这些酸可溶解在雨水中，从而达到净化空气的目的57-59。1989年，通用汽车公司的Donald Beck研究，利用纳米TiO2通过光催化过程去除汽车尾气中含有H2S气体应用实验，效果较好，并有良好的重现性。1.3.4 金属离子回收与处理在实际生产试验中，不可避免的会用到一些金属离子，有些金属离子是有毒的，如任意排放就会污染环境，有些金属稀缺，若变成离子排放到自然界中是一种极大地浪费，所以有毒的金属离子需要处理，昂贵的需要回收再利用，纳米TiO2光催化可以有效地处理这些离子。当高价金属离子接触光催化剂的表面时，可以有效地捕获表面的光生电子而发生还原反应，从而使高价离子变成低价离子，降低毒性。如有毒的重金属离子Cr6+、Hg3+被还原为毒性较低和无毒的离子Cr3+、Hg2+。若体系中加入有较强还原能力的俘获剂，它能够俘获光催化中所产生的h+，减少e-与h+的再结合，能够使更多的e-参与离子的还原反应将有助于金属单质的析出，用此方法可以回收贵金属离子。如Rh3+、Pd2+、Au3+、Pt4+在光催化剂表面俘获光生电子，发生再生还原沉淀并回收。Fusheng hang60等人利用活性炭和纳米TiO2制成一种快速回收Hg的光还原催化剂，将73%的Hg2+还原为Hg金属单质只需20 min。1.3.5 良好的抗菌材料TiO2的抗菌作用是指在光照下对细菌等微生物的抑制或杀灭作用。在自然条件下，有些微生物是对人有益的，但是在人们生活的家居环境中，常常会出现对人身体有害的微生物。例如在有些潮湿的地方（卫生间、厨房）生长的微生物细菌经常都是传播疾病的源泉。所以，TiO2的抗菌作用日益受到人们的重视。由于其产生的羟基自由基能可以直接和病毒细胞内部组分发生生化反应，使细菌失活，所以是一种很好的抗菌材料。日本的TOTO公司已经将涂有二氧化钛纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷商业化生产，用于医院、食品加工等公共卫生场所。另外，还有利用纳米二氧化钛的光致亲水性，开发出了兼具自清洁和抗雾性能的汽车挡风玻璃、后视镜、幕墙玻璃等。1.3.6 制备太阳能电池太阳能光生电池的基本结构主要包括：染料敏化剂、多孔纳米TiO2薄膜、透明导电基片（导电玻璃）、电解液以及透明对电极。当入射光（能量必须满足两个条件：1. 低于半导体纳米二氧化钛禁带宽度；2. 等于染料分子特征吸收波长）照射在电极表面时，吸附于TiO2表面的染料分子中的电子吸收能量跃迁至激发态，处于激发态染料分子向TiO2纳米晶