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二氧化钛材料介绍.pdf

发布:2017-06-04约1.09万字共5页下载文档
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二氧化钛光催化特性的研究历史及应用前景 二氧化钛具有独特的光物理和光化学性质,在光学材料、光电化学和光电池、 光催化降解有机物治理环境污染等方面具有广泛的应用前景。在20 世纪六七十 年代到九十年代二氧化钛的研究集中于二氧化钛半导体的研究,随着九十年代纳 米材料科学的兴起,因纳米粒子的量子尺寸效应、表面效应等使得二氧化钛纳米 材料的结构和性质与常规的二氧化钛材料存在巨大差异而受到科学家的广泛关 注,成为研究热点。本文将介绍二氧化钛光催化的研究历史目前的进展以及其应 用前景。 二氧化钛光催化特性的发现 早期的二氧化钛粉末因其出色的白度、低廉的价格以及无毒、稳定的特性被 广泛应用为白色染料。但是它的稳定性是有一定限制的,只是在较暗的条件下是 完全稳定的。虽然其在可见光波段不发生吸收的特性给予了其完美的白度,但是 它能在紫外光下吸收光子,在其表面发生光化学反应,这一点很早就被二氧化钛 [1] 颜料在阳光下剥落所表明,目前的钛白颜料正在以各种方式进行改进。 对于二 氧化钛光催化特性的科学研究始于20 世纪早期,研究的早期科学家们研究了各 种不同的固体材料的光敏感性,比如C. F. Goodeve1938 年的工作已经探讨了固 [2] 体氧化物的光敏感特性的机理。 虽然二氧化钛证明在反应前后没有变化,但 是这时这类的氧化物只是被称为光敏化剂,光催化的术语还未出现。一直到 20 世纪60 年代后期,二氧化钛的光催化特性才引起更多科学家的关注,1972 年, 当时刚从东京大学获得博士学位的科学家Akira Fujishima 在Nature 杂志上发 表文章,这一研究工作是其自20 世纪60 年代后期开始从事的,文章阐述了发现 金红石型二氧化钛 n-半导体材料紫外光照射下无外加电流可以分解水,产生氢 [3] 气。 这篇文章被认为是拉开了二氧化钛光催化的研究兴起序幕。 20 世纪80 年代的研究 70 年代所发现的二氧化钛催化光解水的现象,不需要外加电流,类似于金 属的腐蚀,由两个电极,通常以锐钛矿型二氧化钛粉末悬浮液为阳极,用镀有 Pt 的二氧化钛阴极电极进行研究,但是几乎没有实验能在粉末体系中得到氢气 和氧气。1980 年,Kawai 和Sakata 的研究工作得到了粉末体系中不能得到氢气 和氧气的原因,他们的结论是因为在粉末体系中产物彼此的距离太近,氢气和氧 气可能重新结合为水分子。为解决这一问题,他们向悬浮的二氧化钛水溶液中加 入了易被氧化的有机物,这样水制得氢气的同时有机物被氧化,氢气的产率显著 [4] 提高。在乙醇中实验的量子选率达到 50%。 大多数的有机物,包括各种生物代 谢产物都能用于提高氢气产量,这是因为二氧化钛的光至空穴的氧化还原电位 +2.53V 使得大多数有机物能最终被氧化为二氧化碳。而且产率也受到二氧化钛 晶型的制约,锐钛矿的产率好于金红石,主要的原因可能是前者具有更高的光电 [5] [6] 子还原电势, 而二氧化钛的另一种晶型板钛矿型无催化活性。 80 年代的原油价格已在不断的上升之中,因此当看到有如此简单易行的制 备氢气的方法时,很多科学家的目光都被二氧化钛的应用前景所吸引而进行研 究。但是二氧化钛的紫外光吸收的效率却仅有 3%,又有人转而研究其他的低禁 带宽的化合物像 CdS 和 CdSe,但是他们的效率和稳定性还不如二氧化钛,因此 在80 年代中期利用二氧化钛制备氢气的研究就几乎停止了。但是关于二氧化钛 的另一方面的研究却一直延续,这一方面是环境污染的治理。有关二氧化钛应用 于环境污染治理的报道现在能查到的是1977 年Frank 的关于用二氧化钛光催化 [7] 降解氰化物的研究。 20 世纪80 年代的十年不断的有各种各样的有毒有害的有 [8] 机化合物在研究中发现可以用二氧化钛进行光催化分解。 这时氢气的产率显得 无关紧要,因此完全可以直接使用二氧化钛粉末,在二氧化钛的表面形成的空穴 可
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