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| 纳米二氧化钛光催化剂的的应用现状和存在问题（一） |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2015-05-13 09:41:13 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/班建伟）纳米二氧化钛（TiO2）具有十分特殊的光学性质和较高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触,因此纳米TiO2在诸多领域显示出美好的发展前景。
1 空气净化
随着人类工业化程度的不断提高，工业和交通运输业迅速发展以及化石燃料的大量使用，将粉尘、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、臭氧等物质排入大气层,使大气质量严重恶化。随着人们对于环境污染的关注度不断提高以及对自身的健康越来越重视，治理空气污染已经成为全人类关注的话题。空气中大部分有机污染物(如酵、酮、醇等)是可氧化的,可用TiO2光催化氧化法去除。
汽车尾气,工业废气中含有大量对人体有害的氮氧化物，利用二氧化铁的高催化活性和空气中的NH3可直接实现NO的光催化氧化。钱春香等人以路面材料为载体，研究了负载型纳米二氧化钛对氮氧化物的降解作用。研究表明：水泥混凝土负载的光催化剂具有优越的光催化功能，而浙青混合料的较差。
室内空气污染最为严重的要数甲醛污染，有关数据显示，80%的新房集中体现为甲醛超标。对于新装修的新房，甲酸污染分为两个方面，一部分是已经从各种装修材料、家具中释放出来，大量累积到室内空气中的甲酸污染，这种污染我们通常都感受不到，而且此释放过程缓慢，长达3-15年。另一种则是当污染较为严重时，我们很容易感受到强烈的刺激性气味。现代人平均约85%的时间是在室内度过的，尤其是弱势群体，在室内生活的时间更长。因此加强室内空气污染源的控制便尤为重要。
纳米光催化材料降解污染物具有以下优点：
1、全面性：光催化剂可以有效地降解甲酸、苯、甲苯、二甲苯、氨等污染物，并具有高效广谱的消毒性能，能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。
2、持续性：在反应过程中,光催化剂本身不会发生变化和损耗，在光的照射下可以持续不断地净化污染物，具有持续作用时间长的优点。
3、安全性：无毒、无害,对人体安全可靠。最终的反应产物为二氧化碳、水和其他无害物质,不会产生二次污染。
4、高效性:光催化剂，利用取之不尽的太阳能就能将扩散了的低浓度气体污染物清除净化。
2 水体净化
如何有效地处理水污染中的有害物质，是人类社会面临的重大课题之一。非均相半导体光催化技术在水污染控制，尤其在处理废水中难降解有机污染物方面具有独特的优越性。
纳米二氧化铁光催化材料能够把大部分有机污染物光催化矿化降解为H20和CO2，把溶液中的重金属离子还原为无毒的金属，且具有可直接利用太阳能的潜力，在有机废水处理方面显示出广阔的应用前景。张天永等人研究了几种国产和进口二氧化钛在光催化降解染料污染物方面的应用。实验结果表明，国产二氧化钛可用于高浓度直接耐晒大红4BS染料废水的光催化降解，且易于分离并可重复利用，为光催化净化法的实际应用提供了依据。
美国环保局公布的114种有机物均被证实可通过光催化氧化降解矿化。可釆用TiO2光催化处理的有机废水及有机物的种类如下:
染料废水：甲基橙、甲基蓝、罗丹明-6G、罗丹明B、水杨酸、经基偶氮苯、水杨酸、分散大红、含磺酸基的极性偶氮染料等。
农药废水：除草剂、有机 农药、三氯苯氧乙酸、2,4,5-三氯苯酷,敌敌畏(DDVP)、二氯二苯基三氯乙焼(DDT)等。
表面活性剂：十二磺基苯5黄酸钠、氯化卞基十二 基二甲基胺、壬基聚氧乙稀苯、乙氧基烧基苯酷等。
氯代物：三氯乙烯、三氯代苯、三氯甲焼、四氯化碳、4-氯苯酷、2-氯代二苯并 英、2,7—M氯代二苯并二 英、多氯代二苯并二 英、四氯联苯、氟里昂、五氟苯船、氟代烯烃、気代芳烃等。
油类：水面漂浮油类及有机污染物。
3 防雾自清洁
二氧化钛薄膜在光照下具有超亲水性，因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层TiO2薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。
当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均勻的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。
纳米二氧化钛具有很强的超亲水性，在它的表面不易形成水珠，而且纳米TiO2在可见光照射下可以氧化降解碳氧化合物。利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄膜，利用TiO2的光催化作用就可以把吸附在二氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和H2O，而剩余的无机物可被雨水冲刷干净。从而实现自清洁功能。
日本东京大学的科研人员已经研制成功一种自清洁瓷砖。这种新型瓷砖应用稀土技术，通过特殊工艺将二氧化铁喷涂在瓷砖表面，二氧化钛对水的物理和化学吸附力大于对油的吸附力，即它同时具有亲水性和厌油性，对清除點附于其上的油污非常容易，不需要使用去污剂，也不用人工和机器擦洗，只用水冲洗就能使油污随着水滴一起流走。
二氧化钛在紫外线照射下，还能发生光化学反应，产生一种“活性氧”，而活性氧可以分解有机物。利用这种方法，几小时就可将瓷砖表面的污物清除干净，将细菌杀死。除应用于瓷砖外，该材料也可以当作涂料来使用，对消除一些难以擦除的污点，比如大气污染而产生的建筑外墙上的污点特别有效。如果建筑物的墙上事先涂上该涂料，这些污点就很难产生。一产生，一场大雨就会使建筑物焕然一新。
余家国等人采用溶胶-凝胶工艺在玻璃表面制得均勻透明的多孔二氧化钛纳米薄膜，其纳米颗粒大小在50-100 nm范围。该玻璃透光性较好，在可见光范围内相对于普通玻璃的透光率在63 %以上，同时可以阻挡紫外线的透过。在太阳光的作用下TiO2涂层自洁净玻璃能有效地将有机磷农药完全降解为无机物，其光解率与TiO2涂层的厚度有关。该类材料有望在环境保护、污水处理、空气净化等方面具有广阔的应用前景。
4 染料敏化太阳能电池
太阳能是一种可以被广泛使用的可再生清洁能源。利用太阳能发电是太阳能利用的主要形式之一。半导体太阳能电池就是一种直接把太阳能转换为电能的器件，具有效率高、寿命长、质量轻、性能可靠、使用方便等诸多优点。基于纳米TiO2半导体电极材料的染料/量子点敏化太阳能电池就是其中的典型代表。
染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。直到20世纪60年代,德国的Tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很少的太阳光,多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。
1991年，O'Regan等人利用纳米多孔TiO2膜作为光阳极，在其表面吸附一层对可见光有很强的吸收且能级与TiO2匹配的染料，通过染料分子对TiO2敏化达到对可见光的吸收，染料对太阳光进行吸收并且把光生电荷传输到TiO2导带，实现有效的电荷分离，研制出了以过渡金属Ru的配合物作为染料的纳米晶膜TiO2太阳能电池，其光电转换效率达到7.1-7.9 %，光电流密度达到12mA/cm2。由于这种电池成本低、制备工艺简单、性能稳定、无毒，已引起各国科研工作者的广泛关注。
染料敏化二氧化铁一般涉及三个基本过程：①染料吸附在二氧化铁表面；②吸附态染料分子吸收光子被激发；③激发态染料分子将电子注入到半导体的导带上。因此,要获得有效的敏化至少要满足两个条件，即染料容易吸附在二氧化铁表面上以及染料激发态的电位与半导体的导带电位相匹配。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)的工作原理如图1所示
图1 二氧化钛染料敏化太阳能电池的工作原理图
(1)染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；
(2)处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；
(3)电子扩散至导电基底,后流入外电路中；
(4)注入到TiO2导带中的电子和氧化态染料间的复合；
(5)导带上的电子和氧化态的电解质间的复合；
(6)氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原；
2001年，Grimes等人首次通过阳极氧化法在铁片上成功制备了规整有序的TiO2纳米管阵列。2007年，Shankar等人_在钛片上制备出长度有220 μm的高度有序TiO2纳米管阵列，并组装成被射式DSSC，获得的光电转换效率达到6.89%。
2011年,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室材料表/界面研究组撰写的有关二氧化钛纳米管研究的评述文章作为研究亮点在《Journalof Materials Chemistry》上发表，并成为该杂志网络版2011年5月阅读次数最多的十篇文章之一。该评述文章是对二氧化铁纳米管基太阳能电池研究工作的全面总结，详细综述了用于制备高性能太阳能电池的二氧化钛纳米管的制备、基于二氧化钛纳米管的几类太阳能电池结构优化、实际应用及未来发展。
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