毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1 TiO2简介
二氧化钛(TiO2)具备独特的光学、电学及化学性质，己被广泛应用于涂料、半导体、传感器、介电材料、催化剂、塑料、化纤等领域。近年来，随着材料制备技术和工艺的改进，特别是纳米技术的兴起，各种特殊形貌和用途的TiO2相继被发现，使其应用得到进一步扩大，在光催化和抗菌方面也得到广泛应用。但TiO2 带隙较宽(3.2 eV)，只能被波长较短的紫外线激发，故对太阳能的利用率很低；而且，由于光激发产生的电子与空穴易复合，导致光量子
效率很低，这些问题一定程度上限制了TiO2 光催化技术的应用。早在1985 年，日本的Matsumga 等首先发现了TiO2 在紫外光照射下有杀菌作用。之后，TiO2 纳米材料作为抗菌材料的研究成为一个热点，TiO2 对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、绿脓杆菌、曲霉和牙枝菌等都具有杀菌能力。然而，研究发现，TiO2 只有在光照射下才能起到杀菌作用，在没有光照的黑暗环境下并不具备抗菌功能，这一定程度上限制了其应用。为克服TiO2 的光响应范围窄以及在无光下难以发挥作用的缺点，人们通过控制晶型、非金属掺杂、金属离子掺杂、贵金属沉积和表面光敏化等方法对TiO2进行了改性，以期获得更好的性能。在TiO2中掺入不同的元素是提高其催化活性的有效方法，诸如Pd、Pt、Au、Ag 等金属元素和N、S、C 等非金属元素。掺杂的离子可在晶格内引入缺陷位置或改变结晶度，形成缺陷或改变晶格类型，使其成为光生电子或者光生空穴的陷阱，引起轨道电子云的杂化，使带宽变窄，最终提高TiO2 的光催化活性。银是一种传统的广谱抗菌剂，对绝大多数细菌都有杀灭作用。将其掺杂到TiO2 中不仅可以赋予TiO2 持久抗菌功能，而且能提高其光催化效率。 2 光催化作用优点
与传统污染治理技术相比, TiO2 光催化技术受到广大学者高度重视的原因主要有 :首先, TiO2光催化是低温深度反应技术, 光催化反应可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物完全氧化并且矿化成无毒的二氧化碳和水等产物;而传统的高温焚烧技术则需要在极高的温度下才可能把污染物降解, 即使用常规的催化氧化方法也需要几百摄氏度的高温;而且, 目前广泛使用的活性炭吸附法只是将污染源转移, 并没有使污染物彻底分解, 而且吸附剂在吸附后通常不可避免地带来净化效率显著下降、吸附剂需后处理、二次污染等问题。其次,TiO2 光催化可利用太阳光作为光源来激发TiO2 光催化剂, 驱动氧化-还原反应的发生, 从而达到降解污染物的目的。从能源利用角度来看, 这一特征使得TiO2 光催化技术更具魅力。再次, TiO2 光催化反应可以在水介质以及很宽的pH 值范围内进行, O2 、H2O2 等绿色氧化剂氧化降解污染物, 无须化学氧化。对有机污染物降解速率是:杂原子gt;芳环gt;烷基链, 这与常规的生物处理技术恰好相反。因此TiO2 光催化技术更适合于毒性大的有机氯农药、多环芳烃、染料、全氟辛基磺酸盐等难降解持久性有机污染物的处理。此外, 光催化还原在室温下对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。
3 TiO2光催化作用机理
TiO2 纳米粒子具有能带结构, 一般由能量低、填满电子的价带(valence band , VB)和能量高、没有电子的导带(conduction band , CB)组成, 价带和导带之间存在禁带。当能量大于TiO2 禁带宽度的光照射到TiO2 上时, 价带电子吸收光的能量并跃迁到导带, 从而在价带内产生电子和空穴, 光生电子和空穴由价带内部迁移到表面, 并与存在于周围的氧和水反应产生活性氧物种。这些活性氧物种具有强的氧化能力, 可夺取TiO2 颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子, 使原本不吸收光的物质被活化氧化, 电子受体通过接受表面电子而被还原。 TiO2 光催化氧化降解有机污染物实质上是一种自由基反应。另外,TiO2 作为光催化剂具有以下两个特点:一是无毒、不溶解性、稳定性好;二是TiO2 具有金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型。板钛矿是自然存在相, 合成比较困难, 而金红石和锐钛矿合成相对比较容易。
4 提高TiO2光催化作用
纳米TiO2 在环境治理和能源开发等方面得到了广泛的应用。纳米TiO2 的晶体是近似的空间点阵结构, 在结构上存在着缺陷, 当有微量杂质掺入晶体时, 可能形成杂质置换缺陷, 这些掺杂对TiO2 的光催化活性起着重要的作用。研究表明, 通过对TiO2 材料沉积贵金属或其他金属氧化物、硫化物, 掺杂无机离子、光敏化剂以及表面还原处理等方法引入杂质或缺陷, 有助于改善TiO2 的光吸收, 提高稳态光降解量子效率及光催化性能。
5 前景展望
综上所述, TiO2 光催化是一项具有广阔应用前景的新型污染治理处理技术。它具有低能耗、易操作、无二次污染等突出优点, 尤其对一些难降解的持久性有毒有机污染物的去除效果比其他处理方法更佳。因此, TiO2 光催化技术引起了国内外化学、环境、材料、物理等不同学科学者的极大关注, 成为近年来研究开发的热点课题之一。

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