TiO2光催化反应及其在废水处理中的应用

TiO₂ 多相光催化能利用太阳能有效降解多种对环境有害的污染物, 使有害物质矿化为CO₂、H₂O 及其它无机小分子物质。本文综述了TiO₂光催化的机理, 提高光催化能力的途径, 多种具有代表性污染物的光催化降解处理方法,以及目前尚存在的一些问题,扼要介绍了近年来TiO₂光催化反应及其在废水处理中应用的研究进展及应用前景。     

TiO2形态结构与光催化活性关系的研究

本文介绍了TiO₂多相光催化剂的作用机理及其结构特性对光催化活性的影响,并对TiO₂的晶相组成、晶粒尺寸、比表面积、表面形态与光催化活性的关系作了综述。     

微乳法制备纳米TiO2 /SiO2的结构及光催化研究

Nanosized TiO₂ and TiO₂/SiO₂ particles were prepared by hydrolysis of tetrabutyl titanate (TBOT) and tetraethyl orthosilicate (TEOS) in the TX-100 reverse microemulsion. These particles were characterized by TG-DSC, XRD, FTIR, TEM，N₂ adsorption-desorption. Their photocatalytic activity was tested by degradation of methyl orange. The result shows that TiO₂/SiO₂ nanoparticles are with a monodispersed spherical phase and a uniform size distribution，and TiO₂ particles are dispersed on the surface of SiO₂. The band for Ti-O-Si vibration in FTIR was observed, the Ti-O-Si bond increased the stability of anatase TiO₂, suppressed the phase transformation of titania from anatase to rutile. And due to the addition of SiO₂, the average size of titania decreased from 38 nm in pure TiO₂ to 5 nm in TiO₂/SiO₂. It was found, under UV light irradiation, TiO₂/SiO₂ particles showed higher activity than pure TiO₂, and TiO₂/SiO₂(1/1) particles showed the highest photocatalytic activity on the photocatalytic decomposition of methyl orange, which was influenced by crystal structure, particle size, crystallinity and Surface area Characteristics.     

载有C60的TiO2纳米粒子光催化活性

以水溶性C₆₀和TiO₂粒子为前驱体,采用水热法制备了载有C₆₀的锐钛矿型TiO₂纳米粒子。应用X射线衍射、透射电子显微镜、红外光谱、紫外-可见漫反射光谱、荧光光谱对产物进行了表征。以对-硝基苯酚为模型污染物研究了产物的光催化活性,结果表明适量负载C₆₀可以提高TiO₂纳米粒子的光催化活性,C₆₀起着传输电子、促进TiO₂光生载流子分离的作用,且经7次循环使用后对-硝基苯酚的降解效率仍能达到74%。讨论了载有C₆₀的TiO₂纳米粒子光催化降解对-硝基苯酚的机理。     

Si掺杂TiO2纤维的溶胶-凝胶法制备及其光催化活性

采用溶胶-凝胶法并结合水蒸气活化制备了Si掺杂TiO₂纤维, 通过TG-DSC, XRD, FT-IR, UV-Vis-DRS, N₂吸附-脱附, SEM等手段对纤维样品的结构参数及其表面形貌进行了表征, 并以活性艳红X-3B模拟废水体系评价了其光催化活性．结果表明, 与纯TiO₂产物相比, 适量Si掺杂制得的产物是具有丰富介孔结构的TiO₂长纤维, 不仅热稳定性和晶型稳定性俱佳, 而且光催化活性得以显著提高, 经900 ℃热处理后仍能保持结晶完好的锐钛矿相; 在Si/Ti摩尔比为0.15时, 其比表面积和孔容最大, 光催化活性最佳, 该纤维作为光催化剂反应75 min, 水中X-3B的降解率可达99.6%.     

Si掺杂TiO2纤维的溶胶-凝胶法制备及其光催化活性

采用溶胶-凝胶法并结合水蒸气活化制备了Si掺杂TiO₂纤维, 通过TG-DSC, XRD, FT-IR, UV-Vis-DRS, N₂吸附-脱附, SEM等手段对纤维样品的结构参数及其表面形貌进行了表征, 并以活性艳红X-3B模拟废水体系评价了其光催化活性．结果表明, 与纯TiO₂产物相比, 适量Si掺杂制得的产物是具有丰富介孔结构的TiO₂长纤维, 不仅热稳定性和晶型稳定性俱佳, 而且光催化活性得以显著提高, 经900 ℃热处理后仍能保持结晶完好的锐钛矿相; 在Si/Ti摩尔比为0.15时, 其比表面积和孔容最大, 光催化活性最佳, 该纤维作为光催化剂反应75 min, 水中X-3B的降解率可达99.6%.     

多壁碳纳米管修饰的CdS/TiO2复合光催化材料的制备及其光解水制氢特性

以P25 TiO₂(德国Degussa化学公司)粉末为原料采用溶胶-凝胶法制备了含有不同CdS质量分数的复合光催化剂,利用多壁碳纳米管(MWCNTs)对CdS/TiO₂进行修饰,制备了一系列不同CdS含量的MWCNTs/CdS/TiO₂光催化材料。对所得的光催化剂进行了扫描电镜、低温氮吸附-脱附及光解水制氢活性的表征。研究了MWCNTs对CdS/TiO₂催化剂体系光解水制氢活性的影响。结果表明,MWCNTs的引入均使得光解水产氢量(14.0 μmol)增加,与未加入MWCNTs的复合光化剂产氢量(11.6 μmol)相比,平均产氢率增加了18%,最高可达21%。     

超亲水TiO2和TiO2-SiO2表面的动态润湿性

1997年, Fujishima研究组[1]发现TiO2表面经UV光照射能产生较强的亲水性, 同时具有较高的亲油性, 即经UV光照射后的TiO2表面具有超双亲的性质. 这种防雾和自清洁性在工业上应用广泛, 已引起了人们的极大兴趣[2～5]. 进一步的研究发现, 超亲水的TiO2表面在暗处放置会变为疏水表面. 对于这个问题, 除了可以通过UV光照[6]、氩离子或电子束溅射[6]和高温热处理[5]等恢复其超亲水性外, 还可以通过添加摩尔分数为10%～30%的SiO2有效地降低TiO2表面的接触角, 提高UV光诱导的超亲水表面在暗处的稳定性能[3]. 另外, 诱导TiO2的亲水性需要较强的UV线强度(如太阳光), 使它在室内应用受到限制. 为了在室内实现TiO2的自清洁功能, Watanabe等[4]发现在TiO2中添加WO3可使TiO2在室内的照明光下也能实现亲水性转变. 以上这些研究成果为TiO2在工业和生活上的实际应用提供了重要的科学依据. 然而, TiO2的防雾和自清洁功能的实现同时也受其动力学性质的制约.     

掺杂Cu的TiO2纳米粒子的制备、表征及其光催化活性

采用Sol-gel法制备了纯的和掺杂不同量Cu的TiO2纳米粒子,并用TG-DTA,XRD,XPS,UV-Vis和荧光光谱对样品进行了表征,考察焙烧温度和Cu含量对TiO2纳米粒子的性质及光催化活性的影响,初步探讨了Cu的掺杂对TiO2相变的作用机制及样品荧光光谱与光催化活性的关系.结果表明,Cu2+的掺杂对TiO2的相变有很大的促进作用,并使其光谱响应范围向可见光区拓展.Cu的掺杂未引起新的荧光现象,但适量Cu的掺杂能够降低TiO2纳米粒子的荧光强度.此外,在光催化降解苯酚的实验中,于500℃处理的掺杂Cu的TiO2纳米粒子的光催化活性较高,与表征结果一致.而掺杂不同量Cu的TiO2的光催化活性顺序与样品荧光光谱强度的顺序相反,即荧光光谱强度越低,其光催化活性越高.     

CO2在纳米SiO2/TiO2悬浮体系中的光催化还原

用水热法合成了氧化硅改性的具有高比表面积、高催化活性的锐钛型二氧化钛, 并在其悬浮体系中将CO₂光催化还原合成甲醇. 采用XRD, TEM, 物理吸附, UV-Vis吸收光谱和FTIR等表征手段对催化剂结构特征进行了研究. 结果表明: 添加氧化硅后, 氧化硅和二氧化钛之间形成Si—O—Ti键, 抑制了TiO₂晶粒生长, 提高了锐钛型TiO₂的比表面积, 且随着含硅量的增加, SiO₂/TiO₂的UV吸收逐步蓝移, 禁带宽度增加. 还原反应结果表明: SiO₂/TiO₂具有光催化还原活性, 且随着含硅量的增加先增加后减小, 当SiO₂质量分数为3.5%时, SiO₂/TiO₂复合催化剂反应活性最强, 5 h内甲醇产量可达到21.0 mg/L, 并有少量甲醛生成.     

超临界 CO2 辅助制备 TiO2 外负载火山岩复合体及其光催化降解亚甲基蓝性能

 以钛酸丁酯为前驱体, 封堵的火山岩为载体, 通过超临界 CO₂ 辅助制备了 TiO₂ 外负载火山岩复合体, 并将其用于光催化降解亚甲基蓝反应, 考察了溶液 pH 值及催化剂浓度对反应性能的影响. 结果表明, TiO₂ 外负载火山岩复合体的光催化性能优于纯 TiO₂ 和 TiO₂ 体负载火山岩复合体. 这是由于外负载复合体对亚甲基蓝的高吸附性、小晶粒尺寸的 TiO₂ 颗粒以及吸附和光催化降解间的协同效应. 亚甲基蓝浓度为 1.5 mg/L, 溶液 pH 为 8, 催化剂浓度为 6.8 mg/L 时, 外负载 TiO₂ 火山岩复合体上亚甲基蓝降解速率最高, 且使用后的催化剂仍具有高的光催化活性.     

Ni控制掺杂TiO2薄膜的光电化学及光催化活性

采用溶胶-凝胶法通过分步控制工艺制备了镍离子不同掺杂方式的TiO₂薄膜。通过甲基橙的光催化降解动力学来表征其光催化活性。结果表明：镍离子非均匀掺杂在掺杂量0.5%时可以明显增强TiO₂的光催化活性，而均匀掺杂提高TiO₂的光催化活性较小。光电化学表征结果显示：镍离子非均匀掺杂TiO₂薄膜的瞬时光电流信号较强，说明其光生载流子易于生成且分离效果较好；循环伏安曲线表明，光照时Ni非均匀掺杂的TiO₂薄膜改变了体系的氧化还原电位，说明了薄膜内建电场的建立。基于半导体的P-N结原理探讨了镍离子非均匀掺杂TiO₂薄膜的光催化活性机理。     

后处理对TiO2纳米薄膜的表面结构和光催化活性的影响

半导体TiO2光催化材料对环境中各种污染物的明显去除效果已引起人们的广泛关注[1～6].在普通钠钙玻璃表面涂制高光催化活性的TiO2纳米薄膜,制成环保建筑材料,不仅可以自洁玻璃表面,而且可以用于净化空气、处理废水等.     

Photocatalytic water treatment with different TiO2 nanoparticles and hydrophilic/hydrophobic layer silicate adsorbents

The degradation of 2-chlorophenol (2-CP) was investigated by a combination of TiO₂-based photocatalysis and adsorption. Three combined systems were compared: (i) TiO₂ was intercalated into the interlamellar space of a hydrophilic montmorillonite by means of a heterocoagulation process (TiO₂ pillared montmorillonite, TPM); (ii) TiO₂ was hydrothermally crystallized on hexadecylpyridinium chloride-treated montmorillonite (HDPM-T); (iii) hexadecylpyridinium chloride-treated montmorillonite (HDPM) was used as adsorbent and Degussa P25 TiO₂ as photocatalyst (HDPM/TiO₂).

The process of mineralization of the organic substrate was characterized by measuring the total organic carbon (TOC) and total inorganic chloride contents, while the degradation of 2-CP and the formation of intermediates were followed by HPLC. The adsorbent-photocatalyst systems were characterized by X-ray diffraction measurements. In all the investigated systems, the degradation of 2-CP was accompanied by a continuous decrease in TOC content. The most advantageous situation was found with HDPM/TiO₂, for which the highest rate of oxidation of 2-CP was observed. In this case the photocatalytically recovered adsorbent may be re-used without further regeneration. A significantly lower 2-CP degradation rate was observed when TiO₂ was fixed on layer silicates. When TPM was applied, only a rather low decrease in TOC content was observed during 10 h of irradiation, i.e. only slight mineralization of the organic pollutant occurred, which is probably due to the low crystallinity and small size of the TiO₂ particles. In the case of HDPM-T, the observed quite high reduction in TOC content shows that the hydrothermally processed TiO₂ sample may compete with the Degussa P25, but the degradation of the organic pollutant is accompanied by a continuous destruction of the adsorbent.     

金属与N元素共掺杂TiO2复合材料光催化结晶紫

通过溶胶-凝胶法制备出系列金属元素与非金属元素共掺杂TiO₂复合材料,采用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-vis/DRS)等对样品进行表征。结果表明,复合材料呈现团聚的块状结构,其中TiO₂为典型锐钛矿结构,N和In、Ce、Mn等元素以离子的形式存在。相比于TiO₂,复合材料的光吸收能力明显增强,同时非金属离子的掺杂提高了复合材料的可见光区吸收,金属离子的掺杂增加了复合材料的活性位点。复合材料在125 W高压汞灯照射下120 min结晶紫被降解82%。     

氟化改性TiO2空心微球的制备及光催化性能

以钛酸四丁酯为钛源、氢氟酸为氟源、乙醇为溶剂,采用溶剂热法合成了氟化改性的TiO2空心微球,并利用XRD、FESEM、FTIR、XPS等手段对氟化TiO2微球的晶体结构、形貌、分子基团以及元素形态等性质进行了表征,同时将TiO2微球应用于光催化降解甲基橙溶液。结果表明:氟化TiO2空心微球由奥斯瓦尔德熟化过程获得,其中TiO2以锐钛矿存在,氟以化学吸附态存在于TiO2的表面,形成≡Ti-F基团。相比纯TiO2,氟化TiO2空心微球光催化活性有很大提高,对初始浓度为20 mg·L-1的甲基橙溶液进行光催化降解30 min,其降解率达到98%。氟化改性TiO2空心微球光催化活性的提高是源于TiO2独特的空心微球结构以及TiO2表面≡Ti-F基团的存在。TiO2表面≡Ti-F基团有很强的吸电子能力,抑制了光生电子与空穴的复合,同时有利于羟基自由基的产生。     

TiO2/SiO2纳米薄膜的光催化活性和亲水性

通过sol gel工艺在钠钙玻璃表面制备了均匀透明的TiO2/SiO2复合纳米薄膜.实验结 果表明: 当SiO2添加量较高时, TiO2/SiO2复合纳米薄膜的光催化活性明显降低;当SiO2添加 量较低时,TiO2/SiO2复合薄膜的光催化活性无明显变化.在TiO2薄膜中添加SiO2,可以抑制薄 膜中TiO2晶粒的长大,同时薄膜表面的羟基含量增加, 水在复合薄膜表面的润湿角下降, 亲 水能力增强.当SiO2含量为10％－20％（摩尔分数）时获得了润湿角为0°的超亲水性薄膜.     

Bi/TiO_2复合纳米纤维制备及可见光催化性能

以电纺TiO_2纳米纤维为基质,EDTA为鳌合剂和吸附剂,采用溶剂热法制备Bi/TiO_2复合纳米纤维光催化材料,利用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能量色散谱(EDS)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱(PL)等分析测试手段对样品的物相、形貌和光学性能等进行表征,以罗丹明B(Rh B)为模拟有机污染物,考察了样品的光催化性能。结果表明:EDTA在复合纳米纤维的合成过程中起到关键作用,通过改变EDTA的用量可以有效控制纤维表面构筑单质Bi纳米球的大小和覆盖密度。所制备的复合纳米纤维具有良好的可见光催化活性和稳定性,当单质Bi的负载量为65%时光催化活性最强,可见光照射180 min,RhB的降解率达到96.40%,循环使用5次降解率仍保持在91%以上。     

Bi/TiO2复合纳米纤维制备及可见光催化性能

以电纺TiO₂纳米纤维为基质,EDTA为鳌合剂和吸附剂,采用溶剂热法制备Bi/TiO₂复合纳米纤维光催化材料,利用X射线粉末衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线能量色散谱（EDS）、透射电镜（TEM）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和荧光光谱（PL）等分析测试手段对样品的物相、形貌和光学性能等进行表征,以罗丹明B（RhB）为模拟有机污染物,考察了样品的光催化性能。结果表明：EDTA在复合纳米纤维的合成过程中起到关键作用,通过改变EDTA的用量可以有效控制纤维表面构筑单质Bi纳米球的大小和覆盖密度。所制备的复合纳米纤维具有良好的可见光催化活性和稳定性,当单质Bi的负载量为65%时光催化活性最强,可见光照射180 min,RhB的降解率达到96.40%,循环使用5次降解率仍保持在91%以上。