【正文】 .............. 8 實(shí)驗(yàn)儀器 ................................................................................................... 8 二氧化鈦 光粉體 的制備 ..................................................................................... 8 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備 ........................................................................................... 8 二氧化鈦 前驅(qū)體 的制備 ............................................................................ 9 不同溫度下二氧化鈦光催化劑的制備 .................................................... 9 不同熱處理?xiàng)l件下二氧化鈦光催化劑的制備 ........................................ 9 二氧化鈦 粉體 的表征 及分析 ............................................................................. 9 X 射線衍射 （ XRD）表征及分析 ............................................................ 9 紫外 可見光吸收光譜表征 及分析 ........................................................ 10 二氧化鈦薄膜光催化特性測試 ....................................................................... 11 亞甲基藍(lán) 溶液的配制及最大吸收波長的確定 ..................................... 11 IV 二氧化鈦粉體的光催化反應(yīng) ................................................................. 11 不同溫度下二氧化鈦粉體的可見光吸收曲線 ...................................... 12 不同熱處理?xiàng)l件下二氧化鈦粉體的可見光吸收曲線 .......................... 17 二氧化鈦光催化劑的重復(fù)利用及 可見光吸收 曲線 ............................. 18 二氧化鈦粉體 光催化反應(yīng)小結(jié) ............................................................. 19 結(jié) 論 ......................................................................................................................... 20 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................... 21 致 謝 ......................................................................................................................... 22 1 1 前言 二氧化鈦的研究背景及現(xiàn)狀 材料作為人類生存和社會發(fā)展的物質(zhì)前提，最早被人們當(dāng)作當(dāng)代文明的三大支柱之一，和它并列的還有信息和能源。后來人們又把新材料、生物技術(shù)、信息技術(shù)作為了新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。隨著材料科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，納米材料也進(jìn)入了人們的視線并且被納入了三大科技。納米材料指的是在三維的空間中至少 有一個(gè)維度處于納米尺度范圍 (1100nm)或由它們作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材料，材料的粒子尺寸極小因此具有許多特殊的效應(yīng)，比如：表面與界面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)等。納米技術(shù)意味著人類探究自然的能力已經(jīng)到達(dá)原子、分子水平，也標(biāo)志著人類的科技已進(jìn)入一個(gè)新的納米技術(shù)時(shí)代。納米材料從發(fā)現(xiàn)至今發(fā)展迅速，成為材料科學(xué)發(fā)展領(lǐng)域的熱點(diǎn)。 納米 TiO2屬于 n 型半導(dǎo)體材料，晶粒尺寸在 1~100 nm 之間。在眾多納米材料的原材料中， TiO2因?yàn)槠錈o毒、污染性低、氧化能力強(qiáng)、催化活性高、穩(wěn)定性好、成本低、 原材料廣泛等性質(zhì)得到了材料領(lǐng)域和納米領(lǐng)域研究學(xué)者們的重視。納米 TiO2 也因?yàn)槠湫再|(zhì)有著十分廣闊的應(yīng)用前景，廣泛運(yùn)用在光催化降解、降解廢水、光電效應(yīng)和太陽能電池能方面。 二氧化鈦光催化技術(shù) 光催化技術(shù)是一種可以直接利用太陽能作為光源的理想環(huán)境污染治理技術(shù)，具有無二次污染，催化劑本身性質(zhì)穩(wěn)定，處理污染物范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在水凈化、殺菌、污水處理、對有毒有害物質(zhì)的控制和空氣的凈化等方面很有應(yīng)用前景。自 1972 年 Fujishima 和 Honda 發(fā)現(xiàn)光照 TiO2 電極分解水發(fā)生光催化氧化還原反應(yīng)并產(chǎn)生氫開始 ，光催化技術(shù)就成為了催化研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。 Frank 等人在 1977 年將此技術(shù)應(yīng)用在污染物于水體中的降解并且取得突破性的進(jìn)展，成為光催化氧化技術(shù)在污染物治理方面的應(yīng)用的成功典范并且引領(lǐng)出了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。 光催化技術(shù)現(xiàn)階段應(yīng)用 光催化技術(shù)的操作工藝 簡單 ， 容易 控制，能源 的 消耗低，能 使物質(zhì) 完全降解 而 且不產(chǎn)生 二次 污染 。因此在 污染治理方面 得到了廣泛的應(yīng)用 ，尤其 在土壤污染 和 廢水污染等 方面有著 廣闊 的前景?，F(xiàn)階段光催化劑選擇的 大多數(shù) 是 n 型半導(dǎo)體，在 目前 研究的 所有 光催化劑中， TiO2 光催化劑 運(yùn)用的最為 廣泛 。 TiO2 光催化劑 主要應(yīng)用在以下方面： （ 1） 廢 水處理： 利用 光催化 技術(shù)能夠 將 廢水 中難以分解的有機(jī) 污染 物降解 成CO H2O 和小分子產(chǎn)物，還 能 使 廢水 完全礦化 。 光催化 所需 的條件 簡單 只有光照， 2 解決了 廢水 處理設(shè)備 的 成本問題。 （ 2） 污垢清潔： TiO2 薄膜有自清潔效應(yīng) 。 在光照下， TiO2 因?yàn)槠?光催化效應(yīng) 能夠降解膜表面的污垢 ， 且 降解出來的水 由于其超親水作用 ，浸入到 了薄膜 和 污垢 間的界面，降低 其 吸附力，促使污垢 可以 脫落。 （ 3） 消毒殺菌 ： TiO2 光催化技術(shù)建立了完善的消毒滅菌 的 工藝 流程 ，光催化反應(yīng) 可以 殺死普通的 病毒 和 細(xì)菌 ，而且還可以 殺死部分瘤組織內(nèi)的惡性細(xì)胞 。 （ 4） 食品保質(zhì)：食品 因?yàn)槭艿?紫外線的照射，保質(zhì)期 會大大下降 ， 如果在 食品的 包裝材料中加入 TiO2， 因?yàn)?TiO2 光催化作用 能夠 吸收紫外線， 在一定程度上 保證了食品質(zhì)量。袁志等人 在 殼聚糖保鮮膜 里加入了 TiO2， 很大 程度上 減少了 食品 中 細(xì)菌的生成 。 二氧化鈦 光催化 過程及機(jī)理 光催化反應(yīng)指的是在一定波長光的照射下，經(jīng)過化學(xué)能和光能之間的能量轉(zhuǎn)換，催化反應(yīng)進(jìn)行。光催化反應(yīng)能夠分為直接光催化反應(yīng)和敏化光催化反應(yīng)。直接光催化反應(yīng)指的是材料自身在光照下直接被活化從而產(chǎn)生電荷，再和被吸附的分子完 成反應(yīng)。敏化光催化反應(yīng)指的是材料上的敏化劑在光照下被活化從而產(chǎn)生電荷，間接轉(zhuǎn)移到材料上，再和被吸附的分子完成反應(yīng)。 到目前為止已經(jīng)研究出了光催化反應(yīng)在光照條件下的機(jī)理過程，如圖 1。半導(dǎo)體的能帶即價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能帶間隙即為禁帶，當(dāng)半導(dǎo)體從光照中獲得的能量大于其本身的禁帶帶寬，就會激發(fā)價(jià)帶上的電子發(fā)生躍遷，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生一個(gè)相對應(yīng)的強(qiáng)氧化性的空穴，按照標(biāo)準(zhǔn)氫電位，產(chǎn)生的空穴電位為 + eV，相比于普通氧化劑氧化性是非常強(qiáng)的，可以降解半導(dǎo)體表面的有機(jī)物。 圖 1 半導(dǎo)體微粒的主要反 :(a)光生空穴的產(chǎn)生 。伍 )電子供體的氧化舊 )。(c) 電子受體的還原 (A)。(d)and(e)電子和空穴分別在顆粒內(nèi)表面和內(nèi)部的復(fù)合 作為光催化劑 的 二氧化鈦具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，成本低無污染，相比其他光催 化劑活性更強(qiáng)，作用條件不苛刻，且工作長時(shí)間也能保持其光催化活性。 因此 采用分散的二氧化鈦粉末參加光催化反應(yīng) 。 二氧化鈦光催化氧化有機(jī)物的機(jī)理如下： 3 TiO2 + hv → h + + e h+ +OH → ?OH e +O2 → ?O 2 有機(jī)物 + ?OH → 中間產(chǎn)物 → CO 2 + H2O 有機(jī)物 + ?O2 → CO2 + H2O + 其他產(chǎn)物 影響光催化特性的因素 （ 1） 晶型影響： 二氧化鈦的三種晶相 :銳鈦礦，金紅石，板鈦礦都是由基本單位 TiO6 通過不同連接方式組成的。銳鈦礦的結(jié)構(gòu)是 TiO6 八面體共頂點(diǎn)，金紅石和板鈦礦是 TiO6 八面體共邊共頂點(diǎn)。因此一般 催化活性較高的銳 鈦 礦晶型 ，原因是銳鈦礦晶型的禁帶寬度比金紅石晶型的禁帶寬度高，這使得銳鈦礦的電子空穴對的電位更正或更負(fù) ,從而氧化能力更高，而且銳鈦礦的晶格中的缺陷和位錯(cuò)網(wǎng)更多，氧空位更多俘獲電子更多，同時(shí)， ,銳鈦礦對 OH、 H2O、 O2 和有機(jī)物的表面能 力較強(qiáng) ,從而獲得更大的光催化活性。不過當(dāng)按照一定比例存在金紅石晶型和銳鈦礦晶型的二氧化鈦時(shí)，其光催化性能會大大提高，而非單一相加。 Bickley 等人研究出某些具有高活性的混合物可能是因?yàn)楸〉慕鸺t石相生長在了銳鈦礦相的表面，產(chǎn)生混晶效應(yīng)?？傊?,二氧化鈦的晶型對光催化性能的影響是因?yàn)槎喾N因素的共同作用。 圖 2 二氧化鈦的銳鈦礦晶型和金紅石晶型結(jié)構(gòu)示意圖 4