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TiO光催化原理及应用

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一.前言

在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据

世界卫生组织的估计，地球上22%的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议

的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体**造成严重危害,世界围每年大

概有200万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包

括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和

紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并

且可能导致二次污染。包括我国在世界围广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类**

有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比拟平安的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法

需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附

剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用围，迫切需要开展

一种高效、绿色、简单的净化水技术。

自然界中，植物、藻类和*些细菌能在太的照射下，利用光合色素将二氧化碳〔或硫化

氧〕和水转化为有机物，并释放出氧气〔或氢气〕。这种光合作用是一系列复杂代反响的总

和，是生物界赖以生存的根底，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反响的过程与植物

的光合作用很相似。光化学反响一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质

吸收能量到达激发态，吸收的能量使反响物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造

成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反响中最简单的形式，但这类反响产

率一般较低。间接光解则为反响系统中*一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反

响。

半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物(有机物、

无机物)分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反响的一个前沿研究领域，

它能使许多通常情况下难以实现或不可能进展的反响在比拟温和的条件下顺利进展。与传

统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反响技术。光

催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第

二，光催化可利用紫外光或太作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－复原反响，到达净化

目的，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。

二.TiO2的性质及光催化原理

许多半导体材料(如TiO2，ZnO，Fe2O3，ZnS，CdS等)具有适宜的能带构造可以作为光

催化剂。但是，由于*些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存

在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO以其化学性质稳定、氧化-复

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原性强、抗腐蚀、无毒及本钱低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。

TiO属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板

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钛矿的光催化性能和稳定性最差，根本没有相关的研究和应用。而锐钛矿型和金红石型均

属四方晶系，两种晶型都是由相互连接的TiO八面体组成的，每个Ti原子都位于八面体的中

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心，且被6个O原子围绕。两者的差异主要是八面体的畸变程度和相互连接方式不同。金红

石和锐钛矿晶胞构造的差异也导致了这两种晶型物化性质的不同。从热力学角度看，金红

石是相对最稳定的晶型，熔点为1870℃；而锐钛矿是二氧化钛的低温相，一般在500℃~600℃

时转变为金红石。二氧化钛晶型转变的实质是晶胞构造组成单元八面体的构造重排。金红

石晶型构造中原子排列更加致密，密度、硬度、介电常数更高，对光的散射也更大。因此，

金红石是常用的白色涂料和防紫外线材料，对紫外线有非常强的屏蔽作用，在工业涂料和

化装品方面有着广泛的应用。锐钦矿的带隙宽度为稍大于金红石的，光生电子和空穴不易

在外表复合，因而具