[發明專利]一種高催化性質TiO2納米粉末/多孔材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310686250.0
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN103638915A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 潘勝強;李夢琳;黃高山;梅永豐
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;B01J35/10;C02F1/32
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于光催化技術領域，具體涉及一種TiO₂納米粉末/多孔材料及其制備方法和其在光催化領域的應用。

背景技術

隨著科技的不斷進步和工業的快速發展，地球上有限的水資源日益受到嚴重的污染，給人類的健康和生活帶來了潛在的危脅，也使人類逐漸認識到保護水資源的重要性[陳琳，二氧化鈦光催化材料及其改性技術研究進展，2013]。多年來人們一直在尋找和嘗試治理水環境污染的辦法，比如采用物理法、化學法和生物處理法等。物理法包括沉降、過濾等，此類方法主要通過物理作用分離、回收污水中呈懸浮狀態的污染物和膠體雜質，而對于水中的溶解性污染物以及金屬離子，如工業生產流程中廣泛使用的鉛離子、汞離子、鎘離子、砷離子等，均難以達到有效去除的目的；以汽提、吹脫、離子交換等為代表的化學法主要通過化學反應和傳質作用來分離、去除污水中呈溶解狀態的污染物，但此類方法處理成本高，且不可避免地帶來二次污染；生物法主要是通過微生物的代謝作用使污水中呈溶解、膠體以及微細懸浮狀態的有機污染物轉化為穩定、無害的物質。此類方法處理周期較長且對處理溫度、時間以及水體中有機物含量等有較高的要求。因此，研究開發新型的污水深度處理方法有非常重要的意義。

光催化氧化技術和前述水污染物治理方法相比，具有能耗低、反應條件溫和、操作簡便、無二次污染、可直接利用太陽能等優勢。將清潔無污染、取之不盡的太陽光能與水污染治理與保護結合起來，利用光催化反應和反應工程設備來開展去除污水中的污染物的研究具有深遠的戰略意義。

TiO₂（俗稱鈦白粉）是一種重要金屬氧化物半導體材料，具有化學穩定性好、催化活性強、廉價無毒、耐光腐蝕、對有機污染物選擇性小和礦化程度較高等特點，其光催化性能和化學穩定性優于ZnO、WO₃和CdS等其他光催化劑。自1972?年Fujishim等[Fujishima?A,?Honda?K.?Nature.?1972]發現TiO₂作為光催化劑可用于分解水產氫以來，關于TiO₂在有機物降解方面的研究也逐漸深入，成為環境領域研究的熱點。

TiO₂有板鈦礦、金紅石和銳鈦礦三種晶型，其中用于光催化的主要有兩種晶型，即銳鈦礦型和金紅石型。由于TiO₂禁帶寬度較大，最具光催化活性的銳鈦礦型帶寬Eg?為3.2～3.5?ev，僅在波長小于387?nm?的紫外光照射條件下表現較好的反應活性和穩定性。紫外光在太陽光成分中所占比例僅為3%～5%，從而極大地限制了TiO₂對太陽能的利用率。另外，光激發產生電子與空穴的簡單復合率較高，導致量子利用率低，也制約著TiO₂光催化效率的大幅提高。為了解決TiO₂光催化劑存在的上述問題，提高可見光催化效率，除了考慮半導體光催化劑自身性質（如晶型、粒徑以及焙燒溫度等）對光催化活性影響外，人們對TiO₂光催化劑進行了大量的改性試驗研究。為此，研究人員主要采用改進制備工藝、控制形貌和尺寸、表面改性等技術手段，為提高TiO₂光催化材料的效率和性能，進而提高其光催化活性進行了各種不同的嘗試。但是，到目前為止從實際應用的角度來看，各種研究結果在提高TiO₂的光催化性能方面都還不夠理想。

研究人員還研究了TiO₂晶體結構對光催化性能的影響。早期研究[沈杭燕等.TiO₂?粉末催化劑催化降解室內空氣中有機污染物,1998]表明，純的銳鈦礦比金紅石光催化效果好，這是由金紅石和銳鈦礦晶體結構差異造成的，金紅石型TiO₂微顯斜方晶，帶隙3.0?eV，銳鈦礦型TiO₂呈明顯的斜方晶畸變，帶隙3.2?eV，而銳鈦礦的較高的禁帶寬度使其電子-空穴具有更正或更負的電位，因而有更高的氧化能力，銳鈦礦表面對H₂O、O₂吸附能力也較金紅石的強，導致其光催化活性較高。因此以前相關研究者往往把注意力集中在如何抑制銳鈦礦的TiO₂向金紅石相轉變。