・24・ 广州化工 2011年39卷第12期 扯 ,、 掺杂纳米 TiO2 光催化剂研究进展 夏晋,晋日亚,孙友谊,马雪梅 030051) (中北大学,ILs-与环境学院,山西 太原摘 要:在研究纳米TiO:光催化降解有机物机理的基础上,对纳米TiO:催化性能的影响因素、改性方法及掺杂原理等进行了 系统的分析。研究分析表明:共掺杂是提高纳米TiO 光催化性能的有效手段。从而为进一步深入研究纳米TiO 光催化剂的制备及 其在可见光条件下对难降解有机物的催化降解性能奠定基础。 关键词:纳米TiO ;共掺杂;可见光;光催化 Research Progress of Co—doped Nano—TiO2 Photocatalyst X/A fin,jlN Ri—ya.SUN You—yi,MA Xue—mei (School of Chemical Engineering and Environment,North University of China,Shaanxi Taiyuan 03005 1,China) Abstract:On the basis of the theoretical studies on the photocatlytaic degradation mechanism of organics by nano— TiO2,the modiifcation methods,CO—doping principles and other factors affecting on the photocatalytic character of nano— TiO2 were analyzed.Analysis resuhs showed that the CO—doping was the availability methods to improve the photocatalytic ability of TiO2,thus,it laid the groundwork for further research on the preparation of nano~TiO2 photocatalyst and the decomposition effect to hard—degradation organics at visible light irradiation. Key words:nanometer—sized titanium dioxide;codoping;visible light;photocatalysis 日本在二十世纪初首次提出了纳米光催化技术”J,经过了 多年的研究与发展,目前,主要研究的是纳米TiO 光催化剂。但 是,二氧化钛的禁带宽度为3.0~3.2 eV,相当于波长为387.5 h +H20 0H一+H h +OH一—}・0H (2) (3) (4) (5) e一+O2 ・02- nm的光能量,且只有在紫外光区内才能吸收,因此,太阳光的利 用率低,大约为5%左右,而在室内的利用率就更低,所以不能广 泛的被应用。为提高纳米二氧化钛的光催化效率,可以通过对 纳米二氧化钛复合材料的改性来实现。近年来,cr—s、N—s和 Pt—N等 。 多种共掺杂TiO,光催化已不断得到开发研究。 ・H2O+・0 —+・OOH+OH 2・00H 02+H202 OOH+H20+e一—}H2O2+OH H202+e一 ・OH+OH一 (6) (7) (8) (9) (10) 有机物+・OH+02一C02+H 0+其他产物 M (金属离子)+ne一一M 1 纳米TiO 的光催化降解有机污染物机理 TiO 光催化原理主要是在紫外光照下,TiO 受到波长小于 387.5 nm的光照射时,当光子能量达到或者超过了其带隙能量, 电子就会从价带激发到导带,同时在价带产生相应的空穴,并形 成高活性的电子一空穴对。激发到导带的电子称为光生电子, 2 TiO 光催化性能的影响因素 光催化反应速率与催化自身特性、体系组成、反应物类别等 内在和外在的多种因素密切相关。对于TiO,光催化剂来说,一 般主要有以下几个方面: 用(e一)表示,价带上产生相应的空穴称为光生空穴,用(h )表 2.1光源和光强 示。在水溶液中,当电子和空穴的复合受到抑制时,在能量作用 TiO 是一种n型的半导体材料,其禁带宽度约为3.2 eV,因 下电子与空穴分离并分别迁移至催化剂表面不同位置,光生电 子与光生空穴分别就会与吸附于表面的H O、OH一和O 形成很 此,只有波长小于387 am的光子才能激发它产生电子一空穴,强的自由基(・OH)和超氧离子(・0 )等活性氧,进而参与加 从而才有催化作用。因此光源的选择将会影响光催化剂体系的 速氧化还原反应,对吸附在催化剂表面的有机物进行深度的氧 化降解,最终得到无害的H 0和CO ,重金属离子则被还原成单 质。 稳定性,并且会随着光强度的增加,使光催化剂表面产生更多的 光量子,所以会有更多的电子一空穴对生成。光催化剂的光源 般选用紫外灯和汞灯。 一TiO 在水溶液中的光催化氧化反应基本原理如下: TiO2+h —}Ti02+e一+h (1) 2.2光催化剂自身的晶体结构 纳米TiO 有三种不同的晶体结构,即锐钛矿、金红石、板钛 作者简介:夏晋(1987一),女,硕士研究生。E—mail: ̄in2012@gmail.COIn 通讯作者:晋日亚。 2011年39卷第l2期 广州化工 V“、・25・ Mn”、矿。它们组成结构的基本单位是TiO 八面体,锐钛矿结构由 Fe”、Rh”的掺杂还会引起TiO:吸收带边的红够。 也表明过渡元素Fe¨掺杂TiO,,能有效捕 TiO 八面体通过共边组成,而金红石和板钛矿结构则由TiO 八 面体共顶点且共边组成。不同的晶体结构具有的性能是也是不 一另外一些研究者 样的,金红石型TiO 的单位晶格小且致密,所以有较大的稳定 获电子,促进电子一空穴对的分离,从而提高光催化活性。众多 研究对比表明了过度金属Fe”掺杂后对提高纳米TiO,的光催 化活性效果是最好。 性、较高的硬度、密度、介电常数及折射率;锐钛矿,在常温下是 稳定的,但在高温下会向金红石型转化,与金红石型相比,其有 更高的光催化活性、更大的比表面积、更强的吸附O,的能力,是 因为:(1)金红石的禁带宽度(为3.0 eV)稍小于锐钛矿的禁带 宽度(为3.2 eV);(2)锐钛矿密度较小,表面吸附H,O、O,、OH一 的能力较强,致使其光催化活性较高;(3)在结晶过程中锐钛矿 晶粒通常具有较小的尺寸和较大的比表面积,对光催化反应用 3.2非金属元素掺杂 目前非金属元素掺杂技术日趋成熟,成功掺杂的非金属元 素有B、N、C、F、P、S等。Asahi等 认为,掺杂提高TiO 在可见 光区的响应程度必须满足三个条件:(1)掺杂剂能在TiO,的带 隙中产生能级,以利于吸收可见光;(2)掺杂剂的最小导带能(包 利;板钛矿是一种亚稳相,所以结构不稳定,几乎不具备催化活 性,极少被使用。目前,实验室研究以锐钛矿型TiO,为主。 2.3溶液中的pI-I值 不同的pH值对光催化反应速率有所不同的,TiO,存水中的 pH大约为6,当pH值较低时,TiO 的表面会带正电荷,有利于 光生成的电子向TiO 表面转移。当pH值较高时,此时,溶液中 有大量的OH一存在,OH一附着在TiO:的表面,使其带上负电,有 利于空穴从颗粒内部转移到表面,所以在低的或高的pH值下, 都有可能出现高效的光催化氧化反应。 2.4外加氧化剂 要保证光催化反应得以进行,就要减少激发后的电子和空 穴的复合,氧化剂是有效的导带电子的俘获剂,外加氧化剂能提 高光催化氧化的速率和效率,能够促进纳米TiO 光催化氧化的 氧化剂有:O2、H2O2、Fe2O3等。 3纳米TiO 掺杂改性方法 人们自发现半导体具有光催化性能以来,就开始对半导体 光催化剂改性进行研究。光催化剂改性的目的和作用主要是增 强光生电子一空穴的分离,抑制它们的复合,扩大在可见光内的 光催化活性等。具体可从光催化剂本身效率的提高与其应用技 术改进两方面来进行。 3.1 过渡金属元素掺杂 过渡金属离子是电子的有效受体,因此它能减少半导体表 面光生电子和光生空穴的复合。由于其掺杂是在TiO,晶格引入 缺陷形成电子一空穴陷阱,所以能延长电子一空穴的复合时间。 1990年,lleperumal 等最先发现在纳米TiO,半导体中掺杂不同 金属元素Fe、鲰、Au、Pt等后可以改变其光催化性质。这主要是 因为掺杂过渡金属离子在TiO,的晶格中形成电子陷阱,进而延 长了电子一空穴的复合时间,降低电子一空穴的复合率,使更多 的电子、空穴到达催化剂表面,进而提高了TiO,的光催化效果。 另一个重要特点是,过渡金属离子具有比TiO,更宽的光吸收范 围,可以将吸收范围扩展到可见光区。当然,并不是所有的过渡 金属离子掺杂都能够提高光催化性能,Choi等 发现,掺杂金属 离子的种类、半径、所带电荷、掺杂量对改变光催化很重要,只有 当电子结构和离子半径与半导体的晶型结构、电子结构相匹配 的金属离子,才有可能提高光催化效率。此外,掺杂金属离子种 类和浓度的不同,可能会获得不同的效果。Choi研究认为V“、 Fe”、Re“、Ru 、Mo“0s”、、Rh“等21种金属离子:骖杂对 TiO,光催化性能的影响。发现在金属离子的掺杂量为0.1%~ 0.5%时,能大大提高TiO 的光催化氧化一还原性能。而且发现 括那些非纯态时的最小导带能)应与TiO,的一样高,甚至要高 于H2/H O的电势以保证光催化活性;(3)掺杂剂的带隙应与 TiO 的相互交迭以便在光生载流子(电子一空穴)的存在寿命内 将其传递至催化剂表面的反应中心。在1986年,Sato等_ 1发现 了氮的引人可以使TiO 在可见光下有活性。2001年,Asahil 1和刘守新等 报道了在可见光具有高活性和超亲水性的TiO,一 N (X=0.25)粉末和薄膜光催化剂,认为某些非金属元素改性 TiO 可提高可见光活性。赵宏生等 进一步冲机理上分析认 为,氮离子在TiO:薄膜中主要是间隙掺杂和替位掺杂,使TiO 薄膜的光催化活性大大提高。另外,Umebayashi等 钊研究发现, 通过将TiS:置于空气中直接热处理后,TiS 即可直接转变为 TiO ,并且发现有少量的s取代了部分O的位置而形成了Ti—S 键,从而导致TiO 的吸收带边缘转移到更低的能级范围。 3.3多元素共掺杂 早期的研究主要是对TiO:进行单元素掺杂,近几年,人们已 经开始关注双元素或多元素共掺杂方法,并发现,共掺杂TiO,的 光催化效果比单元素掺杂的效果更好。张晓艳等Ⅲ 利用TiCN 粉末在不同温度下焙烧制得C—N共掺杂的纳米TiO 光催化 剂,在可见光区域比P25(纯TiO,)表现出更强的光吸收性能,但 是其在紫外及可见光下产氢的活性较小,由此可见,C—N共掺 杂对提高TiO:在可见光下的光催化活性贡献不大。俞慧丽 等 通过沉淀一浸渍法,在400 oC煅烧下制备了Co和N共掺 杂纳米TiO:光催化剂,将其与co或N单掺杂的TiO 相比,吸收 峰红移现象显著,吸收可见光的性能强,且具有良好的可见光催 化活性。Sakatani等¨ 制备了K 、Ca 、Sr2 、Ba¨、Fe 、Al“ 与氮共掺的纳米TiO ,通过XPS和ESP分析结果表明,氮原子位 于晶格间隙位置,使纳米TiO 表现为顺磁性,并诱导可见光催化 活性。张来军等 提出了Fe—N共掺杂,并且在400℃焙烧得 到的产物,具有最高的蓝光光催化降解性。杜玉扣等 研究了 Pt、N共掺催化剂Pt—N/TiO ,通过对三氯乙酸降解发现,当负载 Pt的质量分数为0.5%时,在可见光照下所得催化剂活性最高, 是N—TiO 的3倍。通过对众多实验研究比较,可以得 金属 与非金属共掺杂更能有效的改善TiO,光催化剂的性能。金属、 非金属共掺杂催化剂在最佳掺杂浓度和最佳掺杂条件下,催化 活性远远大于相应的单元素掺杂。尤其是N—Fe共掺杂更能有 效的提高纳米TiO 的光催化性能。 4 N、Fe掺杂原理分析 Asahi等 的理论计算表明:TiO 中掺杂N后,N 轨道与 O 轨道杂化可改变TiO 电子能带结构,从而有效地窄化TiO: 的禁带而引起可见光催化活性。刘守新等… 研究表明,N掺杂 ・26・ 广州化工 2011年39卷第12期 TiO ,主要是在TiO 表面生成Ti—O—N键,形成新的能级结构, [6] O.A.1leperuma,K.Tenakone,W.D.D.P Dissaaayake.Photocatalytie behavior of metl doped tiatanium dioxide:tudies on the Photochemical 使催化剂吸收带红移,进而诱发TiO 可见光催化活性。 鞠剑锋等 。 认为在掺铁样品晶化过程中,表面活性剂参与 下和Fe”一起反应,能抑制TiO:粒径长大,而且可以抑制TiO 从锐钛矿型向金红石的相变,由于锐钛矿型TiO:比金红石型的 活性强,所以掺入Fe”的TiO 纳米薄膜比未掺Fe”的薄膜活性 强。 Synthesis of Ammonia on Mg/TiO2 Catalyst Systems[J].Applied Ca- tlaysis,1990,62(1):l一5. 1 7】CHOI W Y,Hoffmann M R.J.The role ofmetal ion dopants in quantum —sized TiO2:correlation between photoreaetivity and charge carrier re— combination dynamics[J].Phys Chem.,1994(51):13 669—13 679. 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