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上海矽諾國際貿易有限公司 2020-07-15 點擊2658次
1970年代，全球爆發了一次石油危機。1972年，日本科學家在英國Nature雜志上首先報道了用TiO2作為光催化劑分解水制備氫氣，該發現對于利用太陽能制備氫氣作為清潔能源有重大意義，所以論文一發表就立即得到學術界的廣泛關注。接著，1977 年，科學家Bard 嘗試用TiO2 光催化劑把CN-氧化為OCN-，開創了用光催化劑降解污水中有機物的先河。這對于解決目前全球工業化發展中出現的日益嚴重的環境污染問題有積極意義。
1.1 納米TiO2的技術特點
半導體光催化的原理如下: 用光照射半導體，當照射光光子的能量等于或高于半導體的帶隙能量時，半導體的價帶電子就可吸收光子的能量并躍遷到導帶，同時產生光生電子－空穴對，快速遷移到半導體表面的空穴和光生電子分別與吸附在半導體表面的氧分子和水分子作用，產生具有強氧化作用的活性氧和羥基，并與其接觸的化學物質發生氧化還原反應，使有毒有害物質降解，轉化為無毒無害物質。半導體的禁帶寬度決定了光催化劑的激發波長。禁帶越寬，所需要的激發光光子能量越大，光波波長越短；反之，禁帶越窄，所需要的激發光波長越長。表1 為一些代表性半導體的禁帶寬度。
微米尺寸的TiO2對紫外光幾乎不吸收，而納米TiO2粒子對紫外光有強吸收作用，這與納米材料的表面效應有關。納米TiO2粒子在紫外光照射下，價帶中的電子被激發，從價帶向導帶躍遷，從而形成電子-空穴對。納米TiO2粒子禁帶寬度為3.0至3.2 eV，能隙較大，產生的光生電子和空穴的電勢電位較高，氧化還原性較強。另外，納米TiO2粒子在日光照射下化學性質十分穩定，不會發生光腐蝕，并且耐酸堿性好，對生物組織無毒性。當然，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法。一般來說，物理法的制備工藝過程簡單很多，例如高能球磨法和物理氣相冷凝法，但是物理法在制備過程中，存在原料物性相差較大、不易完全混合均勻等問題，制備的產品形貌、粒徑、性能等均勻性和一致性欠佳。化學法主要包括化學氣相法(例如激光化學氣相沉積法)、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，采用化學法制備的納米TiO2粒子形貌結構和性能更優，能夠滿足要求，廣被采納。
納米TiO2的應用經過幾十年的發展，目前納米TiO2光催化技術已經在很多領域得到了研究應用，例如環境治理、衛生保健、建筑材料等領域。
（1）凈化空氣領域。納米TiO2在紫外光催化作用下，能夠把家具、室內裝飾材料等釋放出的有毒有害有機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在空氣環境中的濃度，且不會產生二次污染[7]。據報道，日本宇部工業公司開發了一種表面性能超強的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，然后通過降雨的方式從大氣中去除。
（2）凈化水體和土壤領域。對于水體和土壤中的有機酸類、雜環烴類、酚類、芳香族類等有機污染物，納米TiO2光催化劑也能夠有效脫色、去毒、降解成小分子物質[8-10]。還能夠將高價態的有毒重金屬離子通過氧化還原機理降低為低價態，從而顯著降低或消除有毒重金屬離子對環境的污染和危害。科學家目前已發現通過納米TiO2光催化劑，可以在紫外線照射下迅速降解3000多種難降解的有機物。除了對廢水中的有機污染物進行光催化降解，納米TiO2 光催化劑還可以降解無機化合物。這些優異的性能，使得納米TiO2光催化劑在多種工農業廢水（例如印染廢水、造紙廢水、制藥廢水、農藥廢水）的處理上都
取得了較好的催化降解效果[11,12]。
(3)抗菌保潔領域。納米TiO2在光照下產生的空穴和形成于表面的活性氧，可與細菌細胞或細胞內的組成成分進行化學反應，使細菌頭單元失活而導致細胞死亡，從而起到抗菌殺菌作用。科學研究表明：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甚至在可見光下還能殺死環境中霉菌、病毒、甚至抗化學殺菌劑的隱孢子蟲和梨形鞭毛蟲[13]。日本在納米TiO2光催化抗菌材料的研發應用起步較早，例如日本東陶等公司開發的光催化納米TiO2抗菌瓷磚和衛生潔具等早已大量投放市場。
(4) 新能源領域。將納米TiO2用于能源催化材料是世界各國科學家研究的熱點之一，例如通過光催化制備氫氣，或許是
人類解決能源危機的一個好辦法。但是，目前存在的問題是制氫速率仍不高，約為100 μmol·g－1·h－1，各國科學家們一直在努力提高納米TiO2光催化分解水這一反應的光量子效率。最近，西班牙Marta Iglesias 教授課題組制備了多孔聚合物/TiO2異質
結用于光催化制氫，具有比單獨的納米TiO2 更強的光催化活性，更高的析氫速率，以及顯著的熱穩定性和光穩定性，制氫速
率值顯著提高到21000 μmol.g-1.h-1以上[14]。這標志著納米TiO2光催化制氫獲得重大突破。