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| 納米二氧化鈦光催化劑的的應用現狀和存在問(wèn)題（一） |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-05-13 09:41:13 瀏覽次數： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）納米二氧化鈦（TiO2）具有十分特殊的光學(xué)性質(zhì)和較高的化學(xué)穩定性、熱穩定性、無(wú)毒性、超親水性、非遷移性，且完全可以與食品接觸,因此納米TiO2在諸多領(lǐng)域顯示出美好的發(fā)展前景。
1 空氣凈化
隨著(zhù)人類(lèi)工業(yè)化程度的不斷提高，工業(yè)和交通運輸業(yè)迅速發(fā)展以及化石燃料的大量使用，將粉塵、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、臭氧等物質(zhì)排入大氣層,使大氣質(zhì)量嚴重惡化。隨著(zhù)人們對于環(huán)境污染的關(guān)注度不斷提高以及對自身的健康越來(lái)越重視，治理空氣污染已經(jīng)成為全人類(lèi)關(guān)注的話(huà)題?？諝庵写蟛糠钟袡C污染物(如酵、酮、醇等)是可氧化的,可用TiO2光催化氧化法去除。
汽車(chē)尾氣,工業(yè)廢氣中含有大量對人體有害的氮氧化物，利用二氧化鐵的高催化活性和空氣中的NH3可直接實(shí)現NO的光催化氧化。錢(qián)春香等人以路面材料為載體，研究了負載型納米二氧化鈦對氮氧化物的降解作用。研究表明：水泥混凝土負載的光催化劑具有優(yōu)越的光催化功能，而浙青混合料的較差。
室內空氣污染最為嚴重的要數甲醛污染，有關(guān)數據顯示，80%的新房集中體現為甲醛超標。對于新裝修的新房，甲酸污染分為兩個(gè)方面，一部分是已經(jīng)從各種裝修材料、家具中釋放出來(lái)，大量累積到室內空氣中的甲酸污染，這種污染我們通常都感受不到，而且此釋放過(guò)程緩慢，長(cháng)達3-15年。另一種則是當污染較為嚴重時(shí)，我們很容易感受到強烈的刺激性氣味?，F代人平均約85%的時(shí)間是在室內度過(guò)的，尤其是弱勢群體，在室內生活的時(shí)間更長(cháng)。因此加強室內空氣污染源的控制便尤為重要。
納米光催化材料降解污染物具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、全面性：光催化劑可以有效地降解甲酸、苯、甲苯、二甲苯、氨等污染物，并具有高效廣譜的消毒性能，能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無(wú)害化處理。
2、持續性：在反應過(guò)程中,光催化劑本身不會(huì )發(fā)生變化和損耗，在光的照射下可以持續不斷地凈化污染物，具有持續作用時(shí)間長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)。
3、安全性：無(wú)毒、無(wú)害,對人體安全可靠。最終的反應產(chǎn)物為二氧化碳、水和其他無(wú)害物質(zhì),不會(huì )產(chǎn)生二次污染。
4、高效性:光催化劑，利用取之不盡的太陽(yáng)能就能將擴散了的低濃度氣體污染物清除凈化。
2 水體凈化
如何有效地處理水污染中的有害物質(zhì)，是人類(lèi)社會(huì )面臨的重大課題之一。非均相半導體光催化技術(shù)在水污染控制，尤其在處理廢水中難降解有機污染物方面具有獨特的優(yōu)越性。
納米二氧化鐵光催化材料能夠把大部分有機污染物光催化礦化降解為H20和CO2，把溶液中的重金屬離子還原為無(wú)毒的金屬，且具有可直接利用太陽(yáng)能的潛力，在有機廢水處理方面顯示出廣闊的應用前景。張天永等人研究了幾種國產(chǎn)和進(jìn)口二氧化鈦在光催化降解染料污染物方面的應用。實(shí)驗結果表明，國產(chǎn)二氧化鈦可用于高濃度直接耐曬大紅4BS染料廢水的光催化降解，且易于分離并可重復利用，為光催化凈化法的實(shí)際應用提供了依據。
美國環(huán)保局公布的114種有機物均被證實(shí)可通過(guò)光催化氧化降解礦化?？舍娪肨iO2光催化處理的有機廢水及有機物的種類(lèi)如下:
染料廢水：甲基橙、甲基藍、羅丹明-6G、羅丹明B、水楊酸、經(jīng)基偶氮苯、水楊酸、分散大紅、含磺酸基的極性偶氮染料等。
農藥廢水：除草劑、有機 農藥、三氯苯氧乙酸、2,4,5-三氯苯酷,敵敵畏(DDVP)、二氯二苯基三氯乙焼(DDT)等。
表面活性劑：十二磺基苯5黃酸鈉、氯化卞基十二 基二甲基胺、壬基聚氧乙稀苯、乙氧基燒基苯酷等。
氯代物：三氯乙烯、三氯代苯、三氯甲焼、四氯化碳、4-氯苯酷、2-氯代二苯并 英、2,7—M氯代二苯并二 英、多氯代二苯并二 英、四氯聯(lián)苯、氟里昂、五氟苯船、氟代烯烴、気代芳烴等。
油類(lèi)：水面漂浮油類(lèi)及有機污染物。
3 防霧自清潔
二氧化鈦薄膜在光照下具有超親水性，因此其具有防霧功能。如在汽車(chē)后視鏡上涂覆一層TiO2薄膜，即使空氣中的水分或者水蒸氣凝結，冷凝水也不會(huì )形成單個(gè)水滴，而是形成水膜均勻地鋪展在表面，所以表面不會(huì )發(fā)生光散射的霧。
當有雨水沖過(guò)，在表面附著(zhù)的雨水也會(huì )迅速擴散成為均勻的水膜，這樣就不會(huì )形成分散視線(xiàn)的水滴，使得后視鏡表面保持原有的光亮，提高行車(chē)的安全性。
納米二氧化鈦具有很強的超親水性，在它的表面不易形成水珠，而且納米TiO2在可見(jiàn)光照射下可以氧化降解碳氧化合物。利用這樣一個(gè)效應可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面涂上一層納米TiO2薄膜，利用TiO2的光催化作用就可以把吸附在二氧化鈦表面的有機污染物分解為CO2和H2O，而剩余的無(wú)機物可被雨水沖刷干凈。從而實(shí)現自清潔功能。
日本東京大學(xué)的科研人員已經(jīng)研制成功一種自清潔瓷磚。這種新型瓷磚應用稀土技術(shù)，通過(guò)特殊工藝將二氧化鐵噴涂在瓷磚表面，二氧化鈦對水的物理和化學(xué)吸附力大于對油的吸附力，即它同時(shí)具有親水性和厭油性，對清除點(diǎn)附于其上的油污非常容易，不需要使用去污劑，也不用人工和機器擦洗，只用水沖洗就能使油污隨著(zhù)水滴一起流走。
二氧化鈦在紫外線(xiàn)照射下，還能發(fā)生光化學(xué)反應，產(chǎn)生一種“活性氧”，而活性氧可以分解有機物。利用這種方法，幾小時(shí)就可將瓷磚表面的污物清除干凈，將細菌殺死。除應用于瓷磚外，該材料也可以當作涂料來(lái)使用，對消除一些難以擦除的污點(diǎn)，比如大氣污染而產(chǎn)生的建筑外墻上的污點(diǎn)特別有效。如果建筑物的墻上事先涂上該涂料，這些污點(diǎn)就很難產(chǎn)生。一產(chǎn)生，一場(chǎng)大雨就會(huì )使建筑物煥然一新。
余家國等人采用溶膠-凝膠工藝在玻璃表面制得均勻透明的多孔二氧化鈦納米薄膜，其納米顆粒大小在50-100 nm范圍。該玻璃透光性較好，在可見(jiàn)光范圍內相對于普通玻璃的透光率在63 %以上，同時(shí)可以阻擋紫外線(xiàn)的透過(guò)。在太陽(yáng)光的作用下TiO2涂層自潔凈玻璃能有效地將有機磷農藥完全降解為無(wú)機物，其光解率與TiO2涂層的厚度有關(guān)。該類(lèi)材料有望在環(huán)境保護、污水處理、空氣凈化等方面具有廣闊的應用前景。
4 染料敏化太陽(yáng)能電池
太陽(yáng)能是一種可以被廣泛使用的可再生清潔能源。利用太陽(yáng)能發(fā)電是太陽(yáng)能利用的主要形式之一。半導體太陽(yáng)能電池就是一種直接把太陽(yáng)能轉換為電能的器件，具有效率高、壽命長(cháng)、質(zhì)量輕、性能可靠、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)?；诩{米TiO2半導體電極材料的染料/量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池就是其中的典型代表。
染料敏化太陽(yáng)能電池的研究歷史可以追溯到19世紀早期的照相術(shù)。直到20世紀60年代,德國的Tributsch發(fā)現了染料吸附在半導體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機理，才使人們認識到光照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入半導體的導帶的光電子轉移是造成上述現象的根本原因。這為光電化學(xué)電池的研究奠定了基礎。但是由于當時(shí)的光電化學(xué)電池采用的是致密半導體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單層染料只能吸收很少的太陽(yáng)光,多層染料又阻礙了電子的傳輸，因此光電轉換效率很低，達不到應用水平。后來(lái)人們制備了分散的顆?；虮砻娣e很大的電極來(lái)增加染料的吸附量，但一直沒(méi)有取得非常理想的效果。
1991年，O'Regan等人利用納米多孔TiO2膜作為光陽(yáng)極，在其表面吸附一層對可見(jiàn)光有很強的吸收且能級與TiO2匹配的染料，通過(guò)染料分子對TiO2敏化達到對可見(jiàn)光的吸收，染料對太陽(yáng)光進(jìn)行吸收并且把光生電荷傳輸到TiO2導帶，實(shí)現有效的電荷分離，研制出了以過(guò)渡金屬Ru的配合物作為染料的納米晶膜TiO2太陽(yáng)能電池，其光電轉換效率達到7.1-7.9 %，光電流密度達到12mA/cm2。由于這種電池成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、性能穩定、無(wú)毒，已引起各國科研工作者的廣泛關(guān)注。
染料敏化二氧化鐵一般涉及三個(gè)基本過(guò)程：①染料吸附在二氧化鐵表面；②吸附態(tài)染料分子吸收光子被激發(fā)；③激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導體的導帶上。因此,要獲得有效的敏化至少要滿(mǎn)足兩個(gè)條件，即染料容易吸附在二氧化鐵表面上以及染料激發(fā)態(tài)的電位與半導體的導帶電位相匹配。染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)的工作原理如圖1所示
圖1 二氧化鈦染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理圖
(1)染料分子受太陽(yáng)光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)；
(2)處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導體的導帶中；
(3)電子擴散至導電基底,后流入外電路中；
(4)注入到TiO2導帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復合；
(5)導帶上的電子和氧化態(tài)的電解質(zhì)間的復合；
(6)氧化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子后被還原；
2001年，Grimes等人首次通過(guò)陽(yáng)極氧化法在鐵片上成功制備了規整有序的TiO2納米管陣列。2007年，Shankar等人_在鈦片上制備出長(cháng)度有220 μm的高度有序TiO2納米管陣列，并組裝成被射式DSSC，獲得的光電轉換效率達到6.89%。
2011年,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室材料表/界面研究組撰寫(xiě)的有關(guān)二氧化鈦納米管研究的評述文章作為研究亮點(diǎn)在《Journalof Materials Chemistry》上發(fā)表，并成為該雜志網(wǎng)絡(luò )版2011年5月閱讀次數最多的十篇文章之一。該評述文章是對二氧化鐵納米管基太陽(yáng)能電池研究工作的全面總結，詳細綜述了用于制備高性能太陽(yáng)能電池的二氧化鈦納米管的制備、基于二氧化鈦納米管的幾類(lèi)太陽(yáng)能電池結構優(yōu)化、實(shí)際應用及未來(lái)發(fā)展。
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